Компоненты встроенных аппаратных систем: процессор, память (RAM/ROM), устройства ввода-вывода, аналого-цифровые преобразователи (A/D, D/A), коммуникационные модули, модули питания. В этой статье представлено подробное введение в основной компонент встроенных аппаратных систем: процессор.
Типы встроенных процессоров
Микроконтроллер (MCU)
Встроенные микроконтроллеры, также известные как одночиповые микроконтроллеры, объединяют всю компьютерную систему на одном чипе. Они обычно имеют микропроцессорное ядро и объединяют в себе различные необходимые функциональные компоненты и периферийные устройства, такие как ПЗУ, ЭПЗУ, ОЗУ, шины, шинная логика, таймеры, счетчики, сторожевые таймеры, порты ввода-вывода, последовательные порты, выходы с широтно-импульсной модуляцией, АЦП, ЦАП, флэш-ОЗУ, ЭПЗУ и многое другое.
MCU широко используются в системах управления, таких как управление полетом в дронах, управление шасси в роботах-пылесосах и ABS в автомобилях, в основном для выполнения задач.
DSP — это микросхемы, предназначенные для цифровой обработки сигналов, которые отличаются высокой скоростью, гибкостью и низким энергопотреблением. Они используют усовершенствованную архитектуру Гарварда, разделяющую хранение программ и данных, и часто включают аппаратные умножители. В эпоху цифровых технологий DSP играют ключевую роль в средствах связи, вычислительной технике и бытовой электронике.
Процессоры DSP специально разработаны для задач обработки цифровых сигналов в реальном времени, а алгоритмы DSP все чаще внедряются в встраиваемые системы, переходя от реализации функций DSP с помощью обычных инструкций в обычных микроконтроллерах к использованию встроенных процессоров DSP.
Микропроцессорный блок (MPU)
MPU объединяет арифметический блок и контроллер в одном чипе. Арифметический блок в основном выполняет арифметические и логические операции, а контроллер управляет выполнением программы, включая управление инструкциями, управление временем и управление операциями. Он извлекает инструкции из основной памяти, определяет местоположение следующей инструкции в памяти, декодирует инструкции, генерирует управляющие сигналы и управляет потоком данных между ЦП, основной памятью и устройствами ввода/вывода.
Встроенные микропроцессоры используют усовершенствованные микропроцессоры общего назначения. Из-за их типичного использования в суровых условиях, встроенные микропроцессоры предъявляют более высокие требования к рабочей температуре, электромагнитной совместимости и надежности по сравнению со стандартными микропроцессорами общего назначения.
SoC можно понимать как чип, который объединяет универсальное ядро микропроцессора с различными блоками IP (интеллектуальной собственности) и периферийными устройствами, инкапсулируя различные модули для создания чипа системного уровня. SoC может включать встроенную RAM/ROM, а также мощные возможности MPU, образуя специализированную интегральную схему, адаптированную для конкретных целей.
Встроенные процессоры ARM
Процессоры ARM были разработаны британской компанией Acorn Limited и известны своей низкой энергопотребляемостью и экономичной архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computer). Процессоры ARM по своей сути являются 32-разрядными, но также включают 16-разрядный набор инструкций, что обычно обеспечивает сокращение размера кода до 35% по сравнению с эквивалентным 32-разрядным кодом, сохраняя при этом все преимущества 32-разрядной системы.
Процессоры ARM подразделяются на пять классов: классические процессоры ARM, встроенные процессоры ARM Cortex, встроенные процессоры ARM Cortex реального времени, прикладные процессоры ARM Cortex и экспертные процессоры ARM.
Процессоры ARM Cortex
Серия Cortex-A (A = Application), разработанная для высокопроизводительных приложений с высокой тактовой частотой, отличной производительностью и разумным энергопотреблением. Модели от A5 до A15 являются 32-разрядными, а от A53 до A57 — 64-разрядными. Они известны как прикладные процессоры ARM Cortex.
Серия Cortex-R (R = Real Time), разработанная для приложений управления в реальном времени с быстрым временем отклика, разумной производительностью и низким энергопотреблением. Они известны как встроенные процессоры ARM Cortex реального времени.
Серия Cortex-M (M = микроконтроллер), предназначенная для микроконтроллерных приложений с высокой экономической эффективностью, низкой стоимостью и минимальным энергопотреблением. Они известны как встроенные процессоры ARM Cortex.
В целом, серии -R и -M называются встроенными процессорами Cortex. Процессоры, специализированные для приложений смарт-карт, с акцентом на безопасность и надежность, называются процессорами Security Expert или Expert (SecurCore). Они включают три серии: SC000 на базе ARM7TDMI, SC100 на базе Cortex-M0 и SC300 на базе Cortex-M3.
