Gömülü Donanım Sistemlerinin Bileşenleri: İşlemci, Bellek (RAM/ROM), G/Ç Aygıtları, Analog/Dijital Dönüştürme Birimleri (A/D, D/A), İletişim Modülleri, Güç Modülleri. Bu makale, gömülü donanım sistemlerinin temel bileşeni olan işlemciye dair ayrıntılı bir giriş sunmaktadır.
Gömülü İşlemci Türleri
Mikro Kontrol Birimi (MCU)
Tek çipli mikrodenetleyiciler olarak da bilinen gömülü mikrodenetleyiciler, tüm bilgisayar sistemini tek bir çip üzerinde birleştirir. Genellikle bir mikroişlemci çekirdeğine sahiptirler ve ROM, EPROM, RAM, veriyolları, veriyolu mantığı, zamanlayıcılar, sayaçlar, izleme devreleri, G/Ç bağlantı noktaları, seri bağlantı noktaları, darbe genişlik modülasyonu çıkışları, A/D dönüştürücüler, D/A dönüştürücüler, Flash RAM, EEPROM ve daha fazlası gibi çeşitli gerekli işlevsel bileşenleri ve çevre birimlerini yonga içinde birleştirirler.
MCU'lar genellikle drone'larda uçuş kontrolü, robotik elektrikli süpürgelerde şasi kontrolü ve otomobillerde ABS gibi kontrol sistemlerinde, öncelikle görevleri yürütmek için kullanılır.
DSP'ler, dijital sinyal işleme için tasarlanmış yongalardır ve yüksek hızları, esneklikleri ve düşük güç tüketimleriyle tanınırlar. Program ve veri depolama alanlarını birbirinden ayıran geliştirilmiş bir Harvard mimarisi kullanırlar ve genellikle donanım çarpanları içerirler. Dijital çağda DSP'ler, iletişim, bilgi işlem ve tüketici elektroniği ürünlerinde hayati bir rol oynamaktadır.
DSP işlemcileri, gerçek zamanlı dijital sinyal işleme görevleri için özel olarak tasarlanmıştır ve DSP algoritmaları giderek gömülü alana dahil edilmekte, genel mikrodenetleyicilerdeki normal komutları kullanarak DSP işlevlerini uygulamaktan gömülü DSP işlemcileri kullanmaya geçiş yapılmaktadır.
Mikro İşlemci Birimi (MPU)
MPU, aritmetik birimi ile denetleyiciyi tek bir yonga üzerinde birleştirir. Aritmetik birim esas olarak aritmetik ve mantık işlemlerini gerçekleştirirken, denetleyici komut kontrolü, zamanlama kontrolü ve işlem kontrolü dahil olmak üzere programın yürütülmesini yönetir. Ana bellekten komutları alır, bellekteki bir sonraki komutun konumunu belirler, komutları kod çözer, kontrol sinyallerini üretir ve CPU, ana bellek ile giriş/çıkış aygıtları arasındaki veri akışını yönetir.
Gömülü mikroişlemciler, geliştirilmiş genel amaçlı mikroişlemciler kullanır. Genellikle zorlu ortamlarda kullanıldıkları için, gömülü mikroişlemcilerin çalışma sıcaklığı, elektromanyetik uyumluluk ve güvenilirlik açısından standart genel amaçlı mikroişlemcilere kıyasla daha yüksek gereksinimleri vardır.
SoC, genel amaçlı bir mikroişlemci çekirdeğini çeşitli IP (fikri mülkiyet) blokları ve çevre birimleriyle birleştiren ve farklı modülleri tek bir çipte birleştirerek sistem düzeyinde bir çip oluşturan bir çip olarak tanımlanabilir. SoC, MPU’nun güçlü yeteneklerinin yanı sıra yerleşik RAM/ROM’u da içerebilir ve böylece belirli amaçlara özel olarak tasarlanmış bir entegre devre oluşturur.
ARM Gömülü İşlemciler
ARM işlemcileri, İngiltere merkezli Acorn Limited şirketi tarafından tasarlanmıştır ve düşük güç tüketimi ile uygun maliyetli RISC (Kısıtlı Komut Seti Bilgisayarı) mimarisiyle tanınmaktadır. ARM işlemcileri temelde 32 bitlik tasarımlara sahiptir ancak 16 bitlik bir komut seti de içerir; bu sayede, 32 bitlik bir sistemin tüm avantajlarını korurken, eşdeğer 32 bitlik kodlara kıyasla genellikle %35'e varan bir kod boyutu azalması sağlar.
ARM işlemcileri beş sınıfa ayrılır: Klasik ARM işlemcileri, ARM Cortex gömülü işlemcileri, ARM Cortex gerçek zamanlı gömülü işlemcileri, ARM Cortex uygulama işlemcileri ve ARM uzman işlemcileri.
ARM Cortex işlemcileri
Cortex-A (A=Uygulama) serisi, yüksek saat hızları, mükemmel performans ve makul güç tüketimi ile üst düzey uygulamalar için tasarlanmıştır. A5 ile A15 modelleri 32 bit, A53 ile A57 modelleri ise 64 bit sürümlerdir. Bunlar, ARM Cortex uygulama işlemcileri olarak bilinir.
Cortex-R (R=Gerçek Zamanlı) serisi, hızlı tepki süreleri, makul performans ve düşük güç tüketimi ile gerçek zamanlı kontrol uygulamaları için özel olarak tasarlanmıştır. Bunlar, ARM Cortex gerçek zamanlı gömülü işlemciler olarak bilinir.
Cortex-M (M=Mikrodenetleyici) serisi, yüksek maliyet etkinliği, düşük maliyet ve minimum güç tüketimi ile mikrodenetleyici uygulamaları için tasarlanmıştır. Bunlar, ARM Cortex gömülü işlemciler olarak bilinir.
Genel olarak, -R serisi ve -M serisi, gömülü Cortex işlemciler olarak adlandırılır. Güvenlik ve güvenilirliği ön plana çıkaran, akıllı kart uygulamaları için özel olarak tasarlanmış işlemcilere Güvenlik Uzman İşlemcileri veya Uzman İşlemciler (SecurCore) denir. Bunlar üç seriyi içerir: ARM7TDMI tabanlı SC000, Cortex-M0 tabanlı SC100 ve Cortex-M3 tabanlı SC300.
