ИК приёмник на основе микроконтроллера Atmel

В среднем около 30% процессорного  времени уходит не на обработку данных, а на инструкции чтения-записи. Архитектура AVR32 уменьшает число требуемых  циклов для инструкций чтения-записи байта (8 разрядов), полуслова (16 разрядов), слова (32 разряда) и двойного слова (64 разряда), совмещая их с арифметическими операциями над указателем и ускоряя таким образом скорость доступа к данным в таблицах, структурах и случайно расположенным данных, которые потребуются в ближайших последующих циклах.

Широко применяемые алгоритмы блочного кодирования, такие как Blowfish и Triple-DES, используют таблицы подстановок, для работы с которыми в современных МК требуется большое число тактов процессора. Например, выполнение следующей операции:

result=ptr0[offset0>>24]^ptr1[(offset1>>16)&0xff]^ptr2[(offset2>>8)       &0xff]^ptr3[offset3&0xff];

В основе лежат четыре операции доступа к памяти, извлекающие  один из четырех байтов 32-разрядного слова. Результатом операции является адрес памяти, к которому требуется  доступ.

Для выполнения этой операции на МК с традиционной RISC-архитектурой потребуется 14 тактов. AVR32 выполнит эту операцию всего за 7 тактов. Использование инструкции чтения с извлеченным индексом (extracted index) позволяет ядру AVR32 выполнить все четыре операции доступа к памяти за четыре такта, сохраняя при этом все четыре смещения в одном регистре. За счет уменьшения числа требуемых инструкций для выполнения операций увеличивается производительность ядра AVR32.

Архитектура AVR32 разрабатывалась  при тесном сотрудничестве с компанией IAR, которая занимается разработкой компиляторов для микроконтроллеров. Это выразилось в более удобной для компилятора архитектуре регистров. Также на этапе разработки было заложено требование по поддержке и оптимизации на уровне архитектуры использования операцилннй системы (ОС) для AVR32. В качестве ОС выбрана Linux. Существует специальный механизм, ускоряющий переключение между процессами и выполнение некоторых часто используемых системных вызовов. Естественно, во всех микроконтроллерах семейства AP7000 присутствует модуль MMU. Разработку программного обеспечения для AVR32 можно вести с применением компилятора GCC. Также в разработке находится порт Linux под AVR32.

Таким образом, микроконтроллер AT32 AP7000, построенный на новом ядре AVR32, предоставляет возможности по высокоскоростному вводу и передаче данных, выводу информации на ЖК-дисплей, потоковой обработке. При этом AP7000 остается микроконтроллером с низким потреблением, которое на 80% связано с архитектурными особенностями семейства AVR32.

В дополнение к семейству AVR32 AP (Application Processor) выпускаются микросхемы семейства uC (MicroController). Эти микросхемы являются упрощенной версией AP с точки зрения насыщенности интерфейсными модулями, однако они содержат на кристалле Flash-ПЗУ и ОЗУ, что позволит создавать на них компактные недорогие одноплатные решения.

 

2.6 Интегрированная  отладочная среда AVR Studio фирмы  Atmel

Программа AVR Studio 4 - новая профессиональная интегрированная среда разработки (Integrated Development Environment - IDE), предназначенная для написания и отладки прикладных программ для AVR микропроцессоров в среде Windows 9x/NT/2000. AVR Studio 4 содержит ассемблер и симулятор. Также IDE поддерживает такие средства разработки для AVR как: ICE50, ICE40, JTAGICE, ICE200, STK500/501/502 и AVRISP. В ближайшие месяцы будет расширен список поддерживаемых AVR Studio 4 микроконтроллеров и средств разработки.

AVR Studio поддерживает COFF как  формат выходных данных для  символьной отладки. Другие программные  средства третьих фирм также могут быть сконфигурированы для работы с AVR Studio.

Ключевое окно в AVR Studio это окно исходного текста программы. Когда объектный файл открыт, автоматически  создается окно исходного текста программ. В окне отображается код, который выполняется в отладочном окружении (эмуляторе или программном симуляторе) а текстовый маркер всегда находится на строке, которая будет выполнена в следующем цикле.

Пользователь может  выполнять программу полностью  в пошаговом режиме, трассируя  блоки функций, или выполняя программу до места, где стоит курсор. В дополнение можно определять неограниченное число точек останова, каждая из которых может быть включена или выключена. Точки останова сохраняются между сессиями работы.

В окне исходного текста программы выводится информация о процессе выполнения программы. В дополнение, AVR Studio имеет много других окон, которые позволяют управлять и отображать информацию о любом элементе микроконтроллера.

Список доступных окон:

- watch window: Окно показывает значения определенных символов. В этом окне пользователь может просматривать значения и адреса переменных.

Trace window: Окно показывает  хронологию программы, выполняемой  в настоящее время. 

- register window: Окно показывает содержимое регистров. Регистры можно изменять во время остановки программы.

- memory windows: Окна показывают содержимое памяти программ, данных, портов ввода/вывода и энергонезависимого ПЗУ. Память можно просматривать в HEX, двоичном или десятичном форматах. Содержимое памяти можно изменять во время остановки программы.

- I/O window: Показывает содержимое различных регистров ввода/вывода:

- EEPROM

- I/O порты

-таймеры

- message window: Окно показывает сообщения от AVR Studio.

- processor window: В окне отображается важная информация о ресурсах микроконтроллера, включая программный счетчик, указатель стека, регистр статуса и счетчик цикла. Эти параметры могут модифицироваться во время остановки программы.

Настройки рабочего окружения  сохраняются при выходе. При первом запуске требуется настроить окна для управления и вывода необходимой информации. Во время следующей загрузки настройки автоматически восстанавливаются.

В AVR Studio включена поддержка  отладочных средств фирмы Atmel:

- внутрисхемный эмулятор Atmel ICEPRO

- внутрисхемный эмулятор Atmel MegaICE

- внутрисхемный эмулятор Atmel AVRICE

- внутрисхемный эмулятор Atmel ICE200

- внутрисхемный эмулятор Atmel AsicICE

- внутрисхемный эмулятор Atmel ICE10

- внутрисхемный эмулятор Atmel ICE30

С AVR Studio также совместимы любые программаторы и отладочные средства, которые поддерживают микроконтроллеры фирмы Atmel.

 

2.7 Обзор семейства  микроконтроллеров и микропроцессоров SuperH компании Renesas Technology

 

Одними из популярных микросхем Renesas Technology являются микроконтроллеры с наиболее динамично развивающееся и прекрасно себя зарекомендовавшей архитектурой SuperH. Устройства, построенные на базе архитектуры SuperH, представляют собой 32-разрядные высокопроизводительные RISC (с сокращенным набором команд) вычислительные машины [13].

Тщательно продуманная, архитектура SuperH отвечает основным современным концепциям развития микроконтроллеров. Она характеризуется:

высокой производительностью;

совместимостью программ «снизу вверх»;

высокой эффективностью (плотностью) кода;

сниженным энергопотреблением и наличием режимов энергосбережения;

производством на базе передовых  полупроводниковых технологий.

Семейство микроконтроллеров, выполненных на основе архитектуры SuperH, состоит из множества линеек микросхем с различными конфигурациями ЦПУ и сочетанием периферийных модулей. Это позволяет упростить конструкцию разрабатываемого устройства за счет уменьшения или даже исключения компонентов внешней обвязки микроконтроллера. Результатом является снижение себестоимости изделия за счёт уменьшения затрат на его разработку и производство.

Следует также отметить, что микросхемы семейства SuperH обладают хорошим соотношением цена/производительность/периферия, что делает их более привлекательными для применения в новых проектах по сравнению с микросхемами других производителей.

Ширина номенклатуры микроконтроллеров дают возможность  удовлетворить возрастающие потребности  производителей электроники, практически  в любой области.

Благодаря преимуществам  архитектуры SuperH, микросхемы, построенные на ее основе, являются лучшим выбором для большинства современных встроенных систем в различных областях применения, например системы автомобиля, бытовая электроника и техника, оборудование для телекоммуникаций, системы контроля промышленных процессов, систем автоматизации офисной деятельности.

Выбор конфигурации ядра микроконтроллера или микропроцессора  – наиболее важное решение при  проектировании любой встроенной системы. На рисунке 2.10 представлены архитектуры SuperH, они имеют множество оптимизированных реализаций.

 

Рисунок 2.10 -- Архитектура SuperH имеет множество оптимизированных реализаций

 

На рисунке 2.10 представлены основные линейки микросхем архитектуры SuperH и указано направление их развития. Основой для них стали чипы серии    SH-1. Сегодня сформировались два направления развития ядра, связанные с оптимизацией использования вычислительных устройств в разных областях применения. Одним из направлений развития являются линейки с ядром SH-2 и более мощным SH-2A. Микроконтроллеры этого направления оптимизированы для применения в приложениях, где требуется обработка больших массивов данных, а так же реакция на внешние события в реальном времени. (Основное внимание в статье будет уделено именно этим двум вариантам ядра, остальным будет дана лишь краткая характеристика.)

Представителями другого  направления являются серии SH-3, SH-4 и их варианты с более мощным процессорным ядром SH-4A. Микропроцессоры, входящие в эти серии, в первую очередь предназначены для применения в мобильных устройствах, сетевых системах и других приложениях требующих высокоскоростной обработки данных.

Для упрощения рисунка, на нем не показаны существующие серии SH2-DSP и SH3-DSP. Эти реализации ядра специально предназначены для использования в мультимедийных устройствах и коммуникационных приложениях требующих цифровой обработки сигналов. Следует, однако, отдельно отметить микроконтроллеры серии SH7710/2 (ядро SH3-DSP) с двумя Ethernet каналами, так как они прекрасно подходят для устройств использующих сети Ethernet, в качестве среды передачи.

Одной из основных характеристик  микроконтроллера или микропроцессора  является его производительность. В таблице 2.1 показана максимальная производительность устройств в каждой линейке.

 

Таблица 2.1 -- Производительность SH-ядер микроконтроллеров фирмы Renesas

Ядро	Производительность (на частоте)
SH-1	10 оп/с (20 МГц)
SH-2	130 оп/с (100 МГц)
SH-2A	360 оп/с (200 МГц)
SH-3	260 оп/с (200 МГц)
SH-4	430 оп/с (240 МГц)
SH-4A (развитие ядра)	720 оп/с (400 МГц) (1080 оп/с (600 МГц))

 

2.8 Программные  средства для разработки программ  контроллеров Renesas

Главным звеном в разработке программного обеспечения микроконтроллеров является High-performance Embedded Workshop (HEW), который изображен на рисунке 2.11 - высокоэффективная среда разработки ПО (IDE) универсальная для всех микроконтроллеров компании Renesas Technology. Она представляет собой графическую среду для разработки программного обеспечения с пакетом компилятора С/С++, имеющую типичный для программ такого рода интерфейс. Все элементы интерфейса среды HEW, такие как различные оконные меню, панели инструментов, строки состояния, связанные окна и контекстные локальные меню, направлены на облегчение действий по созданию и управлению проектами программного обеспечения конечной продукции. Среда разработки ПО HEW имеет следующие возможности:

- создание и редактирование проекта;

- графическое конфигурирование утилит компилятора;

- сборка проекта;

- отладка;

- управление версиями.

В среде HEW имеется интегрированный симулятор с расширенными возможностями, который позволит вам отлаживать код приложения даже при отсутствии соответствующих аппаратных средств. Помимо этого, сборка инструментальных средств компилятора С/С++, подключаемая к HEW, позволяет генерировать код, оптимизированный по скорости выполнения и/или по объему занимаемой памяти.

 

Рисунок 2.11 -- Интерфейс среды разработки HEW

 

Более того, эффективность работы программиста увеличивается за счет использования единообразного интерфейса, который имеет один и тот же вид для всех микроконтроллеров и микропроцессоров компании Renesas. Причем, интерфейс можно настроить таким образом, чтобы сформировать среду, наиболее удобную для разработки конкретного приложения.

Новые функции, помогающие оптимизировать код программы. Встроенный симулятор/отладчик имеет специальные возможности и окна для исследования кода программы, полученного в результате компиляции:

- окно профилирования кода (позволяет отображать статистическую информацию в текстовом и графическом виде);

- анализ производительности;

- окно анализатора использования исходного кода.

- вспомогательные инструментальные средства анализа помогут разобраться в функционировании и структуре вашей программы:

- программа-анализатор стека;

- программа для просмотра файла распределения кода и данных (*.map), генерируемого компоновщиком.

Программные средства генерации  оптимизированного кода C/C++. Инструментальные средства Renesas (компилятор, ассемблер и компоновщик) полностью поддерживают спецификацию языка C++ и имеют обратную совместимость с языком Cи. В них реализованы расширения, позволяющие осуществлять полноценное управление встраиваемой системой средствами самого языка C, без использования ассемблерных вставок. К этим расширениям относятся: