Электронные компоненты №7/2009

Page 1

содержание

№7/2009 РЫНОК 8  Процессоры TI: несколько штрихов к портрету

29  Владимир Егоров Многоядерные интегрированные сетевые процессоры высокой пропускной способности

11  События рынка

12  Павел Осипенко Одиночные сбои — вызов для современных процессоров

43  Константин Староверов Территория Cortex-M3: экспресс-портреты микроконтроллеров от разных производителей

16  Константин Бочаров Микропроцессор или DSP? А может, и тот, и другой?

48  Семейства микроконтроллеров с ядром ARM (таблица)

22  Игорь Шагурин ColdFire: перспективные решения для встраиваемых приложений

56  Александр Самарин Новое поколение 8-разрядных микроконтроллеров STM

журнал для разработчиков

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ и DSP

35  Виктор Охрименко Процессоры ввода/вывода для систем хранения данных

Руководитель направления «Разработка электроники» и главный редактор Леонид Чанов; ответственный секретарь Марина Грачёва; редакторы: Елизавета Воронина; Виктор Ежов; Екатерина Самкова; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; редакционная коллегия: Валерий Григорьев; Иван Покровский; Борис Рудяк; Владимир Фомичёв; Леонид Чанов; реклама: Антон Денисов; Елена Живова; распространение и подпис­ка: Василий Рябишников; вёрстка, дизайн: Александр Житник; Михаил Павлюк; директор издательства: Михаил Симаков Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85; эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника: 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by. IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory». Ис­поль­зо­ва­ние ма­те­ри­а­лов воз­мож­но толь­ко с со­гла­ сия ре­дак­ции. При пе­ре­пе­чат­ке ма­те­ри­а­лов ссыл­ка на жур­нал «Эле­к­трон­ные ком­по­нен­ты» обя­за­тель­на. От­вет­ст­вен­ность за до­сто­вер­ность ин­фор­ма­ции в рек­лам­ных объ­яв­ле­ни­ях не­сут рек­ла­мо­да­те­ли. Индекс для России и стран СНГ по каталогу агентства «Роспечать» — 47298, индекс для России и стран СНГ по объединенному каталогу «Пресса России. Российские и зарубежные газеты и журналы» — 39459. Свободная цена. Издание зарегистрировано в Комитете РФ по печати. ПИ №77-17143. Подписано в печать 07.08.2009 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 4000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13.

электронные компоненты

www. elcp.ru

63  Владимир Бродин, Игорь Булатов, Александр Гурин, Петр Перевозчиков Микроконтроллерные модули с развитым интерфейсом «человек–машина»

МИКРОСХЕМЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ содержание

4

68  Владимир Голышев Однокристальный POL-преобразователь TPS54620 для телекоммуникационных и вычислительных систем

СЕТИ и ИНТЕРФЕЙСЫ 71  Ирина Ромадина Модем для передачи данных по силовым линиям AMIS-49587

www. elcp.ru

СВЕТОТЕХНИКА и ОПТОЭЛЕКТРОНИКА 75  Максим Селиванов Светодиодные драйверы ADDtek

77  НОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ НА

РОССИЙСКОМ РЫНКЕ

contents # 7 / 2 0 0 9

E LEC TRO N IC COM PO N E NTS 20 0 9 #7

8  TI Processors: Some Traits to Portrait 11  MARKET EVENTS

MCU and DSP 12  Pavel Osipenko Single Errors As a Challenge to Modern Processors 16  Konstantin Bocharov Microprocessor or DSP? Or this and that, Maybe? 22  Igor Shagurin ColdFire: Promising Solutions for Embedded Applications 29  Vladimir Egorov Multicore Integrated High-Performance Processors 35  Victor Okhrimenko Input/Output Processors for Data Storage Systems 43  Konstantin Staroverov Cortex-M3: Express Portraits of Microcontrollers from Different Manufacturers 48  MCU Families with ARM Core (Table)

56  Alexander Samarin New Generation of STM 8-bit MCU 63  Vladimir Brodin, Igor Bulatov, Alexander Gurin and Pyotr Perevozchikov MCU Units with Advanced Man-Machine Interface

POWER IC 68  Vladimir Golyshev Single-Chip POL Converter TPS54620 for Telecommunication and Computer Systems

5

NETWORKS and INTERFACES 71  Irina Romadina AMIS-49587 Modem for Power-Line Data Transfer

LIGHTING and OPTOELECTRONICS 75  Maxim Selivanov ADDtek LED Drivers

77  NEW COMPONENTS IN THE RUSSIAN

MARKET

электронные компоненты  №7 2009

содержание

MARKET

Компании:

производите ли, дис трибьюторы, пос тавщики

7 EEMB 2 Microchip Technology Corp. 9 Texas Insrtuments 42 Treston

42 Александер Электрик Дон, ООО 37 Гранит-ВТ, ЗАО Спб 2-я обл., 57, 69, 70, 73, 4-я обл. Компэл, ЗАО 79 Международный выставочный центр, г. Киев 28 Миландр ПКК, ЗАО 17 МТ-Систем, ООО 34, 80 Примэкспо, ООО 4 Резонит, ООО

6

42 Реом СПб, ЗАО содержание

3-я обл. Симметрон, ЗАО 21 Синтез Микроэлектроника, ЗАО 15 СМП, ООО 65 Терраэлектроника, ООО 33 Элитан 19 Электроконнект 1, 13 Элтех, ООО

www. elcp.ru

Процессоры TI: несколько штрихов к портрету Как говаривал Козьма Прутков, «невозможно объять необъятное». Тем не менее мы встретились с Элизабет де Фрейтас (Elizabete de Freitas), менеджером по развитию бизнеса DSP в регионе EMEA компании TI, в московском офисе, чтобы составить представление об одном из ключевых направлений деятельности этой компании. Элизабет работает в TI уже 10 лет. Свою карьеру она начинала как инженер по применению, но уже два года возглавляет маркетинговый отдел Embedded Processing в регионе EMEA. — Расскажите, пожалуйста, про отделение Embedded Processing. Каков его удельный вес в компании? Какое количество дизайн-центров и сотрудников работает с этим отделением? — Мы не разделяем направления DSP и микроконтроллеров между собой. Для нас это некий общий сегмент, который называется встраиваемыми процессорами (Embedded Processors). В 2008 г. объем этого бизнеса составил 1,6 млрд. долл. TI имеет несколько дизайнцентров, которые рассредоточены по всему миру, в т.ч. в США, Европе, Азии. В них работает большое количество инженеров, но едва ли можно указать точное количество дизайн-центров или специалистов, работающих в процессорном сегменте, т.к. часть инженерных ресурсов распределена между несколькими центрами. Например, в конце прошлого года мы анонсировали открытие Kilby Labs — исследовательского центра, где на самом деле работают представители нескольких дизайн-центров. У нас есть несколько групп, которые занимаются конкретной продукцией, но большое число инженеров работает в совмещенных направлениях. В 2008 г. мы потратили 1,94 млрд долл. на разработку продуктов и приложений, а общий оборот TI в этом же году составил 12,5 млрд долл.

рынок

8

— Имеется ли какая-то специфика в развитии бизнеса встраиваемых процессоров? — Общая стратегия компании заключается в том, чтобы представить на рынке как можно более широкий спектр продукции. Если до недавнего времени TI была известна в основном как производитель DSP-процессоров, то в настоящее время мы стали также уделять большое внимание сегменту аналоговых компонентов и встраиваемых процессоров. Например, совсем недавно мы приобрели компанию Luminary Micro, которая производит процессоры на базе ядра CortexМ3. — Довольна ли компания продвижением встраиваемых процессоров в России? Или вы считаете,

www.elcp.ru

что следует предпринять какие-то решительные шаги для изменения ситуации? — Мы никогда не можем быть удовлетворены достигнутым, поскольку в таком случае мы не сможем двигаться дальше. И в России, и в Европе мы стремимся увеличить свою долю на рынке. В России, как и во всем мире, мы стремимся к тому, чтобы наша деятельность по продвижению процессоров и компонентов TI как можно лучше отвечала интересам заказчиков. В частности, мы открыли русскоязычный веб-сайт, на котором внедряем новые технологии для общения с заказчиками — например, сервис Click to Chat позволяет заказчику в режиме чата задать вопросы техническому специалисту компании и получить оперативный ответ. На сайте также имеется возможность принять участие в русскоязычном форуме для инженеров, где специалисты могут общаться как с экспертами TI, так и между собой. Сервис Click to Chat впервые был внедрен именно в России, а теперь мы используем его и на сайтах других стран. TI первой применила такую технологию в сегменте полупроводниковых компонентов. — У TI имеется опыт разработки микроконтроллеров, в т.ч. 32-разрядного TMS320C2000. Почему тогда во встраиваемых процессорах было решено использовать ядро ARM? Планирует ли компания продолжать сотрудничество с ARM? — Процессор TMS320C2000 выполнен на базе процессорного ядра, разработанного TI. У нас, в принципе, несколько таких ядер — С2000, С5000 и С6000. На основе этих трех процессорных ядер TI выпускает очень много продуктов, а также разрабатываются новые устройства. В дополнение к этим процессорным линейкам мы осуществляем поддержку продуктов на базе ARM-ядер. — Зачем — не хватает своих ядер? Или ARM-ядра чем-то привлекательнее? — В действительности, заказчик не думает о конкретной архитектуре — ему

важно решить свою задачу. С одной стороны, архитектура ARM очень популярна на рынке, и многие инженеры и выпускники университетов уже знакомы с ней. С другой стороны, заказчикам важно иметь возможность дифференцировать свои продукты от стандартных решений. Как раз в этом случае использование дополнительных процессорных ядер позволяет им в полной мере реализовать свое ноу-хау. Поэтому мы предлагаем заказчикам как стандартные, так и гибридные решения, объединяющие ARM и DSP c различной периферией в зависимости от конкретного приложения. — Продолжит ли в таком случае TI разработку своих процессорных ядер? — Нам важно иметь достаточно широкую номенклатуру компонентов. На базе ARM-ядра не всегда можно получить требуемую функциональность. В частности, у простого процессорного ядра С5000 имеются два арифметико-логических устройства, которых на стандартном ARM-ядре нет. Соответственно, у С5000 и уровень производительности другой. Кроме того, у нас большая база клиентов, которые уже используют продукты на основе ядер TI. Заказчики должны быть уверены в том, что эти продукты будут поддерживаться и далее и можно будет использовать то программное обеспечение, которое работает на наших процессорах. Трудно заглядывать в будущее, но с большой вероятностью можно предположить, что существующий микс ARMи DSP-ядер сохранится в продукции TI. Помимо устройств на базе ARM- и DSPядер, часто используются и аппаратные ускорители в том или ином виде, позволяющие получить дополнительную функциональность к стандартным ядрам. Мы продолжаем вкладывать средства в развитие собственных процессорных ядер, и достигнутый уровень не снизится. — В линейке DSP компании немало сложных и высокопроизводительных процессоров, подходящих для

самых разных приложений, где требуется большой объем вычислений в реальном времени. Тем не менее относительно немного достаточно простых и дешевых продуктов вроде Black Fin от AD ценой в 3—4 долл. Это сознательный выбор TI? — Наши предложения в сегменте сигнальных процессоров начинаются с DSP семейства С5000, которое также имеет достаточно широкий спектр моделей — это 34 процессора на данный момент, причем уровень цен в этом семействе изменяется от, скажем, 3—4 до 10—15 долл. Также варьируется уровень периферийной начинки в этих процессорах. В линейке продуктов OMAP ценовой диапазон также начинается от нескольких до 20—30 долл. и выше, что позволяет нам охватывать широкий уровень приложений. Кроме того, следует учитывать не столько стоимость процессора, но и всего решения. Некий дополнительный компонент может значительно удорожать стоимость системы в целом. — Что TI подразумевает под очень распространенным термином Embedded? — Возьмем, к примеру, процессор OMAP 3530, в состав которого входят ядро CortexА8, DSP C6000, графический ускоритель для 2D/3D-графики, а также периферийные модули. В целом эту систему и можно назвать встраиваемой. По мере развития рынка все труднее становится классифицировать и DSP, и микроконтроллеры. Ответ зависит от каждого конкретного случая.

рынок

10

— Для каких приложений в основном предназначены процессоры Da Vinci? Например, для массовых применений в телевизионных приставках STB он слишком сложен и дорог. — Da Vinci создавалась как многопроцессорная архитектура с достаточно емким программным обеспечением, которое разрабатывалось с помощью большого количества сторонних фирм. По мере развития решения на основе этой технологии разделились на две группы: первая — высокопроизводительные процессоры с мощными ядрами и большой гибкостью за счет программного обеспечения и вторая, включающая более простые и менее гибкие решения. Линейка дешевых решений в семействе Da Vinci построена с использованием процессорного ядра ARM9 и аппаратного ускорителя. Линейка высокопроизводительных процессоров Da Vinci отличается большей гибкостью за счет того, что в ее моделях, помимо ядра ARM9 и тех же аппаратных ускорителей, используются DSP. Более мощные процессоры Da Vinci предоставляют полную свободу программирования, конфигурирования,

www.elcp.ru

что, конечно, достигается за счет более сложного программного обеспечения. В таких массовых изделиях как set-top boxes, где задача процессора заключается в том, чтобы принять, декодировать и вывести сигнал на экран телевизора, наверное, Da Vinci сложно конкурировать с дешевыми аппаратными чипами. Однако дальнейшее развитие этого направления мультимедийных устройств происходит в сторону домашних мультимедийных комплексов с намного большим количеством функций и сервисов. В таких устройствах эта линейка программируемых решений будет достаточно востребованной. Процессоры Da Vinci широко используются в таких приложениях как видеонаблюдение, системы видеобезопасности. Эта линейка очень популярна в России, в т.ч. и в массовом производстве. Например, анонсированный в начале марта процессор TMS320DM365 в нижнем сегменте линейки Da Vinci уже привлекает очень большой интерес на локальном рынке. — Нельзя ли четко сформулировать требования, предъявляемые к компонентам для промышленного применения? — На самом деле, Industrial — такой же маркетинговый термин, как и Embedded, но если говорить о конкретном промышленном сегменте устройств, то, как правило, продукты для промышленных приложений имеют расширенный температурный диапазон по сравнению с изделиями для коммерческого сегмента. В частности, процессор OMAP35ХХ изначально использовался в мобильных устройствах. Тем не менее он находит широкое применение и в индустриальных приложениях по автоматизации зданий. Еще одна особенность компонентов для индустриальных приложений заключается в том, что в них используется другой тип корпуса и у них весьма продолжительный жизненный цикл. — В индустриальных приложениях ошибки, сбой, зависания системы управления, как правило, недопустимы. Ведется ли работа по улучшению помехоустойчивости процессора OMAP35ХХ от электромагнитных полей, электростатического разряда? — У нас разработана система специальных тестов TI для каждого применения. Устройства для промышленного сегмента, если сравнивать с коммерческим, проходят через большее количес­ тво тестов, используются другие типы корпусов, чтобы обеспечить работу без сбоев. Компоненты для автомобильных приложений проходят еще больше тестов, чтобы обеспечить необходимую надежность в критических системах. Одно и то же устройство проходит большее количество тестов, если оно пред-

назначено не для коммерческого, а для автомобильного применения. Вопрос защиты от электростатических или электромагнитных помех сводится не к одному конкретному процессору, а к дизайну всей системы в целом. Одна из наших задач — помогать заказчикам рекомендациями по разработке схемотехнических решений, по схемам разводки плат, с тем чтобы обеспечить максимальную защиту от различного типа помех. — Таким образом, на этапе разработки процессора для промышленного назначения не применяется каких-то особых технологий, отличающихся от компонентов, скажем, для мобильных приложений? — Если мы говорим об одном и том же кристалле, использующемся как для коммерческих, так и для индустриальных решений, то в последнем случае мы используем другой тип корпуса и, соответственно, проводим более строгое тестирование. А если говорить о кристаллах, специально разработанных, скажем, для автомобильных приложений, то еще на уровне дизайна чипа применяются определенные технологические решения, позволяющие повысить надежность процессора. — TI является «чемпионом мира» по компонентам с малым энергопотреблением — достаточно взглянуть на микроконтроллер MSP430. Хотелось бы узнать, на какие параметры ориентируются разработчики, что для них важно: производительность, низкое потребление? Какая задача стоит перед разработчиком при выборе параметров? — Что бы разработчики ни делали, они во что бы то ни стало должны уложиться в бюджет энергопотребления. Мы применяем отдельно технологию создания высокопроизводительных чипов и отдельно — технологию для низкопотребляющих чипов. Крайне важно учитывать токи утечки. В частности, при разработке новых процессоров С55Х с относительно меньшим энергопотреблением и размером корпуса 10×10 мм мы не стали поднимать частоту устройства выше 100 МГц, т.к. нужно было уложиться в определенный бюджет энергопотребления. Всегда существует некий баланс между производительностью и низким энергопотреблением. Однако иногда компромисс между производительностью и низким энергопотреблением находится на более высоком уровне: в процессорах OMAP35ХХ используется технология Smart Reflex, которая позволяет динамически управлять напряжением, частотой микропроцессора уже на уровне кремния. Для ее реализации был использован специальный технологический процесс.

События рынка

| Развитие солнечной энергетики в России | 30 июня 2009 г. в Москве прошел первый в России международный симпозиум, посвященный технологиям производства солнечных элементов и батарей, а также методам их тестирования и испытания. Организатором симпозиума выступила компания «Совтест АТЕ» (Курск). «Совтест АТЕ» реализует инновационные проекты по созданию в России современных производств для выпуска солнечных элементов и батарей. Компания серьезно занимается вопросами фотовольтаики и имеет деловых партнеров среди ведущих производителей оборудования для солнечной энергетики в Европе, США и Азии. Фотовольтаика — одна из быстро развивающихся отраслей, в основе которой лежит прямое преобразование солнечного излучения в электрическую энергию с помощью специальных полупроводниковых элементов — солнечных батарей. В настоящее время в России восемь предприятий располагают технологиями и производственными мощностями для изготовления 2 МВт солнечных элементов и модулей в год. Общая мощность производимых ими фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) составляет около 12…13 МВт в год, что пока не превышает 1% от общемирового объема производства. Наиболее крупными являются предприятия: «Солнечный ветер» (Краснодар) — объем производства 5 МВт (примерно 36% от общероссийского производства); «Красное знамя» (Рязань) и «Рязанский завод металлокерамических изделий» (3 МВт, 22%) и «Квант-Солар» (Москва) производит около 40% ФЭП и модулей. Кроме того, на симпозиуме обсуждались перспективы развития солнечной энергетики в России, вопросы автоматизации производства кристаллических солнечных элементов и развития тонкопленочных технологий, а также использования в фотовольтаике испытательных систем для солнечных модулей. Доклады симпозиума подготовили представители зарубежных партнеров «Совтест АТЕ», разрабатывающие технологии и оборудование для производства солнечных батарей. Было представлено современное оборудование, применяемое для производства, тестирования и испытания эффективных солнечных модулей: оборудование для жидкостной химической обработки пластин (компания RENA), термических процессов (Despatch), для нанесения антиотражающего покрытия (Roth&Rau), а также оборудование для полной автоматизации производственных линий (MANZ Automation) и тестирования готовых изделий (Votsсh). www.sovtest.ru | Мировые продажи полупроводников выросли во II кв. 2009 г. на 17% | Американская ассоциация SIA (Semi­con­ duc­tor Industry Association) сообщает, что мировые продажи полупроводников в июне 2009 г. составили 17,2 млрд долл. По сравнению с предыдущим месяцем (16,6 млрд долл.) продажи выросли на 3,7%. В тот же период прошлого года оборот был на 20% выше и составлял 21,6 млрд долл. II кв. 2009 г. завершен с оборотом в 51,7 млрд долл., что на 17% больше, чем в I кв. (44,2 млрд долл.). www.russianelectronics.ru

Новости светотехники

| Светлое будущее LED-технологий | Компания Displaybank опубликовала отчет, согласно которому светодиодные технологии — один из наиболее перспективных источников роста доходов. Многие компании уже вовлечены в этот многообещающий бизнес, другие планируют сделать это в самом ближайшем будущем. Рыночный потенциал светодиодных технологий не имеет границ, поскольку непрерывно расширяется область их применения — от мобильных устройств, автомобилей, подсветки дисплеев больших размеров (LED BLU), светофоров до замены источников света в уличных, домашних и специальных светильниках. Например, рынок светодиодов для носимых устройств увеличится с 16,6 млрд шт. в 2007 г. до 24 млрд шт. в 2013 г. Рынок светодиодных светильников вырастет с 730 млн шт. в 2007 г. до 7,28 млрд шт. в 2013 г. Крупные компании, такие как Samsung и LG, конкурируют, вкладывая огромные средства в разработку конечных продуктов и компонентов, включая кристаллы, корпуса, LED-приборы, а также различные устройства на основе светодиодов.

11

рынок

www.russianelectronics.ru

Новости технологий

| TSMC задержалась с освоением технологии HKMG? | Компании Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. (TSMC) лишь совсем недавно удалось преодолеть трудности в освоении 40-нм производства, мешавшие получить высокий процент выхода годной продукции. Проблемы с 40-нм техпроцессом — не единственное упущение TSMC. Компания отстает с освоением технологии, основанной на использовании диэлектриков с высокой диэлектрической постоянной и металлических затворов (high-k/metal-gate, HKMG). Отставание составляет не менее трех кварталов. Надежду на осуществление первоначальных намерений TSMC освоить технологию HKMG в I кв. 2010 г. при переходе к нормам 28 нм развеял глава компании Моррис Чанг (Morris Chang). Он сказал, что компания могла бы передать в производство 28-нм HKMG-техпроцесс в конце 2010-го или в начале 2011 г. По словам Чанга, у TSMC уже есть 10 заказчиков, заинтересованных в технологи HKMG. Обычный техпроцесс с соблюдением 28-нм норм TSMC планирует освоить в первой половине 2010 г. Но это может служить лишь слабым утешением — участники альянса, возглавляемого IBM, рассчитывают запустить производство с применением технологии HKMG до конца текущего года. www.russianelectronics.ru

электронные компоненты  №7 2009

ОДИНОЧНЫЕ СБОИ — ВЫЗОВ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ Павел Осипенко, к.т.н., зав. отделом, НИИСИ РАН В статье поднимается проблема сбоев в современных микроэлектронных изделиях, вызванных воздействием одиночных частиц, таких как атмосферные нейтроны и альфа-частицы. Описывается история обнаружения данной проблемы, дается краткий обзор методов борьбы с одиночными сбоями на примере микропроцессоров компании IBM Corp. 1. Введение

Микроконтроллеры и DSP

12

В последние несколько десятилетий технология производства интегральных схем развивается стремительными темпами, что позволяет повышать производительность и функциональные возможности изделий микроэлектроники. Еще в 1965 г. сооснователь компании Intel Гордон Мур предсказал, что число транзисторов, которое можно разместить на одном кристалле, будет удваиваться каждые 1,5—2 года, и этот закон выполняется уже более 40 лет. В настоящий момент выпускаются микросхемы с числом транзисторов около 2 млрд, и рост продолжается. Однако разработчики микропроцессорных систем сталкивались с проблемами, которые, на первый взгляд, грозили остановить или существенно замедлить экспоненциальное развитие. Первая серьезная трудность, названная «проблемой стены памяти» (memory wall), была вызвана тем, что рост производительности микропроцессоров не поддерживался пропорциональным ростом быстродействия микросхем памяти, в результате чего скорость обмена данными не поспевала за скоростью их обработки. Несколько лет назад разработчики микропроцессоров и систем столкнулись с другой серьезной трудностью — «проблемой стены мощности энергопотребления» (power wall). Обнаружилось, что стандартные методы повышения производительности за счет увеличения рабочей частоты и сложности архитектуры приводили к недопустимым уровням энергопотребления и, как следствие, перегреву кристалла и системы в целом. Даная статья посвящена проблеме одиночных сбоев в микроэлектронных изделиях, которая в недалеком будущем имеет все шансы получить название «проблема стены сбоев» (soft error wall). В статье под сбоем понимается нарушение логического состояния элемента памяти под воздействием одиночных частиц, например нейтронов или альфачастиц. Поскольку нарушение является обратимым, сбои называют мягкими (soft error), в отличие от систематических отказов (hard errors). Сразу следует оговорить, что в статье не рассматриваются специфические условия радиационного

www.elcp.ru

воздействия космического пространства или зоны экспериментов научных центров по изучению свойств материи. Рассматриваются самые обычные условия на поверхности земли, в которых находятся как сами коммерческие компьютеры, так и их пользователи. 2. Доказательство наличия одиночных сбоев

Считается [1], что проблема сбоев вследствие попадания одиночных частиц в микросхемы стала широко обсуждаться после выхода статьи [5] в 1979 г., в которой описывались результаты исследования причины сбоев микросхем производства Intel Corporation. В статье доказывалось, что причиной наблюдаемых сбоев были альфа-частицы, которые испускали при распаде ядра урана, содержавшиеся в керамических корпусах. Керамику для их изготовления получали из старой урановой шахты. Позже с подобной проблемой столкнулась и компания IBM, которая выяснила, что сбои в ее микросхемах вызваны альфа-частицами, возникшими в результате распада радиоактивных примесей в жидкости для чистки бутылок. В них хранилась кислота, используемая в процессе производства микросхем [7]. В то время, когда инженеры разбирались с причинами и искали способы устранения сбоев, вызванных радиоактивными примесями, Зиглер и Ленфорд (Ziegler and Landford) в своей статье, вышедшей в 1979 г. [11], предсказали, что источником сбоев от попадания одиночных частиц могут быть не только альфа-частицы от радиоактивных примесей, но и нейтроны, образующиеся в результате ядерных взаимодействий высокоэнергетичных частиц космического пространства с ядрами атомов воздуха. Это предсказание получило признание специалистов только в 1996 г. с выходом статьи [8] и выпуском специального номера журнала Тhe IBM Journal of Research and Development, целиком посвященного этой проблеме [13]. Однако до конца 90-х гг. данная проблема обсуждалась только в кругу профессионалов на специализиро-

ванных конференциях и на страницах научных журналов. Широкое внимание общественности проблема получила с выходом статей в популярных журналах «Форбс» [4] в 2000 г. и EE Times [10] в 2002 г. Вторая статья с драматическим названием «Инженеры считают коммерческие компоненты «небезопасными» для авиации» имела особенное влияние на общественность, так как показала, что проблема сбоев от одиночных частиц затрагивает безопасность каждого человека. В дальнейшем сообщения об обнаружении сбоев от одиночных частиц стали появляться регулярно. Очень упрощенно механизм сбоя заключается в том, что заряженная частица, пролетая через активную область транзистора, ионизирует атомы кремния, создавая электроннодырочные пары. Электрическое поле вблизи p-n-перехода растаскивает носители заряда, создавая в цепях транзистора импульс тока. Если импульс оказывается достаточно большим, то элемент памяти изменяет состояние и происходит сбой. В случае атмосферных нейтронов с веществом взаимодействуют и вызывают ионизацию либо ядра кремния, выбитые нейтронами, либо продукты распада ядра при взаимодействии с нейтроном. Среди специалистов нет единого мнения, как именно меняется вероятность сбоя отдельной ячейки памяти с уменьшением топологических норм [9]. Одни утверждают, что вероятность сбоя увеличивается, другие доказывают, что вероятность сохраняется примерно постоянной или даже уменьшается, однако, учитывая, что количество ячеек на кристалле удваивается каждые полтора-два года, увеличение частоты сбоев микросхемы в целом признается всеми. В настоящий момент крупнейшие производители микроэлектроники осознали угрозу, которую представляет воздействие одиночных частиц, в первую очередь атмосферных нейтронов, и развернули широкую деятельность по изучению эффектов сбоев, а также по изучению и практическому применению методов борьбы с ними в коммерческих изделиях.

3. Методы борьбы с одиночными сбоями

Микроконтроллеры и DSP

14

Методы борьбы с одиночными сбоями можно разделить на две группы. К первой относятся методы, уменьшающие вероятность возникновения сбоя в элементе памяти при попадании частицы в чувствительный обьем. Методы второй группы призваны обеспечивать корректность выполняемой программы, если сбой все-таки произошел. К первой группе относятся как технологические, так и схемотехнические методы. Из технологических методов можно назвать применение технологии КнИ (кремний на изоляторе), при которой обьем чувствительной области существенно меньше, чем при стандартной объемной технологии. Соответственно, меньше величина собираемого заряда и вероятность, что он превысит критический уровень сбоя. Данные компании IBM [1] показывают, что схемы по КНИ технологии имеют в 5 раз лучшие показатели частоты сбоев, по сравнению с объемной технологией. Эксперименты, проводимые в НИИСИ РАН [14, 15], подтверждают этот вывод, причем зафиксировано преимущество схем на КнИ более чем на порядок. К схемотехническим методам относятся методы построения ячеек, имеющих повышенную устойчивость к одиночным сбоям. Ярким примером таких ячеек можно считать 12-транзисторные ячейки типа DICE (Dual Interlocked Cell), которые позволяют исключить одиночные сбои, что подтверждается результатами экспериментов [16, 17]. Размер такой ячейки примерно в два раза больше стандартной, что приводит к повышению энергопотребления и снижению быстродействия. Обзор схемотехнических решений, позволяющих создать устойчивые к сбою ячейки, приведен в [6, 18]. Если сбой из-за попадания одиночной частицы все-таки произошел, необходимы меры, чтобы обнаружить и, по возможности, исправить ошибочное значение. Методы данной группы можно разделить на методы, применимые к регулярным структурам, таким как массивы памяти, регистровые файлы и тракты передачи данных, и методы, применимые к нерегулярным структурам, например автоматы конечных состояний, арифметические устройства, исполнительные конвейеры микропроцессора. Методы обнаружения и исправления ошибок в регулярных структурах достаточно хорошо изучены и описаны во множестве книг и статей, как например в [6]. Основная идея данной группы методов заключается в том, что к защищаемому слову данных добавляется некоторое количество разрядов, значение которых вычисляется по определенному алгоритму в момент записи слова в память. При чтении значения дополни-

www.elcp.ru

тельных разрядов вычисляются и сравниваются со считанным из памяти. Если во время хранения произошел сбой, то данная схема позволит это обнаружить. Простейшим примером является схема контроля четности, когда к слову добавляется один бит, вычисляемый как исключающее ИЛИ от битов данных. Схема контроля четности позволяет обнаруживать только одиночные сбои, не позволяя их корректировать. Если количество дополнительных разрядов увеличить, то станет возможным обнаружить и скорректировать большее количество сбоев в одном слове. На текущий момент наиболее популярной является схема контроля кодом Хемминга с обнаружением двойных и корректированием одиночных ошибок, которая применяется практически во всех современных микропроцессорах (ECC — Error Check & Correction). Методы защиты нерегулярных схем более сложные и менее распространенные в коммерческих изделиях. Традиционно, специализированные системы, требующие повышенной надежности и устойчивости ко всякого рода сбоям, применяемые, например, в космосе, использовали схемы двойного (DMR — Dual Modular Redundancy) либо тройного (TMR — Triple Modular Redundancy) резервирования. В такой системе два либо три процессора работают параллельно друг с другом, и специальный узел сравнивает результаты их работы. В случае несовпадения формируется сигнал ошибки, и система выполняет требуемые действия по ее устранению. Недостатком такого подхода для коммерческих систем является высокое значение самого чувствительного для данной области параметра — стоимости. В последнее время стали развиваться методы обеспечения сбоеустойчивости без полного дублирования аппаратных ресурсов. Особенность этих методов заключается в том, что для их реализации требуется детальное понимание алгоритма работы защищаемого блока. Краткий обзор этих методов дается в следующем разделе при рассмотрении микропроцессоров компании IBM, которые можно считать воплощением самых современных достижений в области коммерческих сбое- и отказоустойчивых микропроцессоров 4. Примеры применения методов борьбы со сбоями в изделиях компании IBM

Следует признать, что лидером по разработке сбоеустойчивых систем является компания IBM, которая создает такие системы с конца 60-х гг. Из последних шедевров, созданных компанией, можно назвать RISC-микропроцессор Power6, анонсированный в мае 2007 г.,

и CISC-микропроцессор Z10, представленный в феврале 2008 г. [3, 12]. Каждый из этих процессоров реализован по технологии 65 нм КнИ, содержит 4 вычислительных ядра. Рабочая частота достигает значений 5,0 ГГц и 4,4 ГГц, соответственно. Данные параметры производительности и функциональной сложности находятся на уровне лучших достижений, в соответствии с современным уровнем развития микроэлектроники. При этом микропроцессоры обладают уровнем сбоеустойчиовсти, намного превосходящим показатели конкурирующих изделий подобного класса. Несмотря на то, что архитектурно это совершенно разные микропроцессоры (один RISC другой CISC), идеология защиты от одиночных сбоев у них очень похожая. Во-первых, следует отметить повсеместное применение схем ECC. В частности, схемы ECC покрывают кэшпамять всех уровней, внешнюю память, а также тракты данных внутри кристалла и на всех каналах, соединяющих микропроцессор с внешним миром. Во-вторых, в управляющую логику процессорного ядра внедрены специальные структуры по проверке логической стойкости (logical consistency checkers), призванных отслеживать корректность работы автоматов состояний и других элементов управления. К примеру, если автомат переходит в недопустимое состояние или совершил недопустимый переход из одного состояния в другое, такая структура обнаруживает это и выдает сигнал ошибки. В процессоре Z10 реализовано около 20 тыс. таких элементов. Арифметические устройства защищены от одиночных сбоев с помощью схем вычисления и контроля остатка (residue checking). Идея данного решении заключается в том, что остаток (residue) результата арифметической операции может быть вычислен на основании остатков входных операндов. Соответственно, схема позволяет проверить корректность выполнения операции, причем размер такой схемы занимает незначительную часть по сравнению с размером самого арифметического устройства. Для некоторых узлов применяются схемы вычисления и контроля бита четности результата на основании битов четности входных операндов, называемые parity prediction circuits. Отличительной особенностью данных микропроцессоров является наличие особого блока R-unit, создающего и сохраняющего архитектурное состояние (СР-checkpoint) в особой памяти после завершения каждой команды или группы команд, запускаемых в одном такте. Перед сохранением каждой контрольной точки производится проверка сигналов ошибки от всех узлов микропроцессора.

Заключение

Помимо рассмотренных микропроцессоров компании IBM, элементы защиты от сбоев реализованы практически во всех коммерческих микропроцессорах, особенно применяемых на рынке серверов, где потеря данных может привести к серьезным финансовым убыткам. Можно упомянуть такие серверные микропроцессоры как SPARC64 V компании Fujutsu, Itanium2 компании Intel, Opteron компании AMD. Стали появляться компании, специализирующиеся на разработке сбоеустойчивых решений, как например компания Yogitech, на оригинальных решениях которой фирма ARM в 2008 г. выпустила сбоеустойчивую версию своего популярного синтезируемого процессорного ядра Cortex-M3 [2]. Все это показывает, что ведущие мировые лидеры в области микроэлектроники осознали, что по мере снижения проектных норм и увеличения числа элементов на кристалле одиночные сбои действительно превращаются в серьезное препятствие и необходимо предусматривать меры по их нейтрализации на самых ранних стадиях разработки, несмотря на дополнительные затраты на разработку и повышение стоимости конечного изделия.

2. Halfhill T. Fault tolerance for Cortex-M3//Microprocessor Report, V.22, №5, 2008, pp.1–11. 3. Kevin R., Pia N. et all. Fault-Tolerant Design of the IBM Power6 Microprocessor//IEEE Micro, V. 28, № 2, 2008, pp. 30-38. 4. Lyons D. SUN Screen//Forbs, Novem­ber 13, 2000//www.forbes. com/global/ 2000/1113/0323026a.html. 5. [5] May T. C., Woods M. H. Alpha-Particle-Induced Soft Errors in Dynamic Memories//IEEE Trans. on Elect. Devices, V.26, № 1, 1979, pp. 2–9. 6. Mukherjee S. Architecture Design for Soft Errors, Elsevier, 2008, 337 p. 7. Mukherjee S. Computer glitches from radiation: A problem with multiple solutions//Microprocessor Report, V.22, #5, 2008, pp.12–19. 8. Normand Е. Single Event Upset at Ground Level//IEEE Trans. on Nuclear Sc., V. 43, № 6, 1996, pp. 2742–2750, 9. Normand E. Single Event Effects in Avio­nics and on the Ground// Int. Journal of High Speed Electronics and Systems, V.14, №2, 2004. pp. 285–298. 10. Rea D. Engineer calls off-the-shelf com­ponents 'unsafe' for aircraft// EE Times, Sep­tember 23, 2002. 11. Ziegler J., Lanford W. The Effect of Cosmic Rays on Computer Memories//Science, V. 206, №. 776, 1979. 12. Webb C. IBM z6 — The Next-Generation Mainframe Microprocessor, IBM Systems & Technology Group, 2007//speleotrove.com/de­ci­mal/IBMz6-mainframe-microprocessor-Webb.pdf. 13. IBM Journal of Res. and Develop., V. 40, 1996//www.research.ibm. com/journal/rd40-1.html. 14. Баранов С., Василегин Б. , Осипенко П. и др. Исследование одиночных эффектов в микроконтроллерах серии 1890 при воздействии протонов//Радиационная стой­кость электронных систем «СТОЙКОСТЬ-2006», научно-технический сборник, вып. 9, М.: МИФИ, 2006, С.101—103. 15. Василегин Б., Емельянов В., Осипенко П. и др. Исследование чувствительности микропроцессоров к одиночным сбоям при воздействии осколков деления радионуклида калифорний-252.//ВАНТ, серия «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру», Научно-технический сборник, вып. 3—4, М.: НИИП, 2006. 16. Василегин Б., Емельянов В., Оси­пен­ко П. и др. Исследование чувствительности ячеек КНИ СОЗУ различных типов к воздействию тяжелых заряженных частиц//Радиационная стойкость электронных систем «СТОЙКОСТЬ-2009» научно-технический сборник, вып. 9, М.: МИФИ, 2009, С. 75–77. 17. Василегин Б., Емельянов В., Осипенко П. и др. Исследование влияния конструктивно-технологических параметров КНИ СОЗУ на чувствительность к одиночным сбоям при воздействии тяжелых заряженных частиц//ВАНТ, серия «Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру», научно-технический сборник, вып. 1, М.: НИИП, 2008, С. 133–138. 18. Ельчин И., Шагурин И., Осипенко П., Василегин В. Аппаратные средства введения помехоустойчивого кодирования для повышения отказоустойчивости СБИС оперативной памяти//Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА, Научно-технический журнал, №4, М.: 2006, С. 65–71.

15 Микроконтроллеры и DSP

При обнаружении такого сигнала запускается процедура восстановления последнего корректного архитектурного состояния с перезапуском команды. Если обнаруживается, что причиной ошибки явился не сбой, а отказ, то запускается процедура передачи последнего сохраненного архитектурного состояния в резервное вычислительное ядро с передачей ему управления. Все эти операции выполняются прозрачно для програм­ мис­та и не приводят к прерыванию выполнения программы. Следует отметить, что в Power6 и Z10 реализован такой метод защиты от двойных сбоев в памяти как скрабирование памяти (memory scrubbing). Суть метода в том, что если обращение к ячейке, защищенной четностью или ECC, происходит достаточно регулярно, то одиночные сбои в памяти не представляют серьезной опасности, т.к. при этом происходит обнаружение ошибки и ее коррекция. Однако если к ячейке, в которой произошел сбой, длительное время отсутствуют обращения, то появляется вероятность, что в ней же произойдет повторный сбой, который схема коррекции уже не сможет исправить. Для серверов, которые должны работать недели и месяцы без перезагрузки, это может стать серьезной проблемой. Соответственно, в процессоре реализованы специальные аппаратные средства, способные периодически (период задается программно) считывать и корректировать как внутреннюю кэш-память, так и внешнюю динамическую память. Эти действия выполняются в промежутках времени, когда проверяемый ресурс свободен и, соответственно, потери производительности не происходит. Помимо упомянутых, в этих микропроцессорах реализовано множество других решений по повышению сбое­ устойчивости, таких как динамическая замена линий связи с памятью, удаление отказавшей строки кэш-памяти, схема переключения на резервный генератор тактовых импульсов в случае отказа основного и пр., подробное описание которых выходит за рамки статьи. Проведенные компанией IBM исследования микропроцессора Power6 на пучке нейтронов показали, что из зафиксированных более чем 5 тыс. сбоев 99,80% были успешно обнаружены и исправлены без остановки выполняемой программы; 0,19% ошибок были обнаружены и потребовали останова программы и только 0,01% ошибок привело к потере данных, что примерно соответствует частоте ошибок один раз в 1 000 лет [3].

Литература 1. Cannon E., Reinhardt D. et all. SRAM SER in 90, 130 and 180 nm Bulk and SOI Technologies//42nd Annual Reliability Physics Symposium, 2004, pp. 300—304.

электронные компоненты  №7 2009

Микропроцессор или DSP? А может, и тот, и другой? Константин Бочаров, научный сотрудник, НИИСИ РАН В статье подробно рассматривается извечная проблема: что лучше выбрать, когда требуется цифровая обработка сигнала — высокопроизводительный микропроцессор или DSP? Подробно рассматриваются все аспекты проблемы, включая трудоемкость разработки и стоимость компонентов. Статья написана с точки зрения разработчика и представляет безусловный интерес для инженеров-проектировщиков микропроцессорных систем. Введение

Разработчики систем цифровой обработки сигналов имеют широкий выбор процессоров для решения своих задач. Наряду с микропроцессорами общего назначения, традиционными специализированными сигнальными процессорами DSP, все большее распространение получают гибридные процессоры. Среди них можно выделить собственно гибридные процессоры, т.е. процессоры, имеющие характерные особенности архитектуры как процессоров общего назначения, так и сигнальных процессоров, а также процессоры с расширениями DSP (DSP enhanced processors) — процессоры общего назначения, с точки зрения архитектуры, но дополненные специализированными блоками или сопроцессорами DSP, и многоядерные системы. Некоторое представление о таком разнообразии

дает рисунок 1, на котором различные семейства процессоров распределены в соответствии с их производительностью и оптимизацией для обработки сигналов. Нетрудно найти процессор под любую задачу — гораздо сложнее выбрать оптимальный вариант. Алгоритмы DSP имеют характерные особенности, определяющие архитектуру специализированных процессоров; они приведены в таблице 1 [1]. Большие объемы вычислений требуют параллелизации вычислительных блоков, а также аппаратной реализации основных функций. Соответственно изменяется и система команд — вводится основная операция умножения с накоплением, реализуемая за один цикл. Требования к высокой точности вычислений приводят к использованию многоразрядных регистров аккумуляторов, защит-

ных разрядов и аппаратной реализации арифметики с насыщением. Для обеспечения высокой пропускной способности памяти и предсказуемости параметров доступа к данным используются гарвардская архитектура с параллелизацией доступа к памяти, специфические способы адресации (кольцевой буфер). Чтобы справиться с потоком данных в реальном времени, необходима статическая память с механизмом прямого доступа. Локальность времени исполнения обеспечивается аппаратной реализацией циклов и потоковой обработкой прерываний. При выборе процессора для системы цифровой обработки сигнала целесообразно рассматривать следующие факторы: – производительность; – трудоемкость разработки; – доступность, переносимость кода; – совместимость, поддержка производителем процессоров; – стоимость; – размер; – потребляемая мощность. Производительность

Микроконтроллеры и DSP

16

Рис. 1. Процессоры общего назначения и сигнальные процессоры Таблица 1. Особенности алгоритмов обработки сигналов и сигнальных процессоров Особенности алгоритмов DSP

Особенности DSP Параллельно работающие вычислительные блоки, аппаратное ускорение Большие объемы вычислений основных функций DSP Многоразрядные регистры аккумулятора, охранные биты, аппаратная Высокая точность вычислений реализация арифметики с насыщением Высокая пропускная способность памяти Гарвардская архитектура, поддержка параллельных передач данных Предсказуемость параметров доступа к данным Специализированные способы адресации Локальность времени выполнения Аппаратная реализация циклов, потоковая обработка прерываний Блок умножения или умножения с накоплением, выполняющий операМатематические алгоритмы цию за 1 цикл, команда умножения с накоплением Потоки данных Статическая память без кэша, но с прямым доступом Минимум динамических архитектурных особенностей, встроенная Ограничения реального времени память (ОЗУ) вместо кэша Стандартные особенности 16-разрядные типы данных, округление, арифметика с насыщением

www.elcp.ru

Быстродействие процессора определяется тремя факторами: пропускной способностью канала обработки данных, скоростью доступа к памяти и ограничениями реального времени. Скорость обработки данных определяется доступными вычислительными ресурсами и возможностью одновременной работы. Быстродействие подсистемы памяти определяется ее архитектурой (гарвардская или фон-Неймановская), схемотехникой (статическая/динамическая), наличием кэшей и механизмов прямого доступа к памяти. Возможность работы в реальном времени ограничивается недетерминированностью операций и динамическими свойствами процессора. Основные особенности каналов обработки данных в сигнальных процессорах и процессорах общего назначения приведены в таблице 2 для систем начального уровня и в таблице 3 — для высокопроизводительных систем.

Для обработки больших потоков данных уместна концепция SIMD (Single Instruction — Multiple Data), т.е. использование одного потока команд для операций над несколькими потоками данных. В процессорах общего назначения такая обработка данных встречается только в высокопроизводительных семействах, например, PowerPC 74xx обеспечивает одновременное выполнение операций над четырьмя 32-разрядными числами с плавающей запятой или четырьмя 32-разрядными; восемью 16-разрядными или шестнадцатью 8-разрядными целыми числами. В DSP же инструкции, поддерживающие выполнение по принципу SIMD, встречаются и в самых простых моделях, пусть и в ограниченном варианте, например, только сложение двух пар 16-разрядных целых чисел. В высокопроизводительных DSP и гибридных процессорах возможности SIMD развиты не хуже, чем в мощных процессорах общего назначения. В процессорах общего назначения используется как фон-Неймановская архитектура памяти (в системах начального уровня), так и гарвардская, как пра-

вило, в более мощных устройствах. В DSP использование гарвардской архитектуры характерно для моделей всех уровней производительности. Такая архитектура позволяет за один цикл обращения к памяти извлекать одновременно инструкцию и операнд, а в высокопроизводительных процессорах — несколько инструкций (до 8 в современных DSP и до 4 в процессорах общего назначения) и несколько слов данных от 16 до 64 бит (либо одно слово максимальной разрядности). Кэширование данных используется преимущественно в процессорах общего назначения, для DSP же характерно применение прямого доступа к памяти. Большинство задач DSP подразумевает обработку данных в реальном времени. Процессор должен успеть выполнить требуемые операции над одной выборкой данных в потоке, прежде чем поступит следующая выборка. Помимо собственно вычислительной производительности на возможность работы в режиме реального времени оказывает влияние детерминированность и предсказуемость системы в целом. Недетерминированность приводит к

Рис. 2. Сравнение производительности процессоров начального уровня (стоимостью до 10 долл.) Таблица 2. Особенности вычислительных блоков в процессорах начального уровня

Микроконтроллеры и DSP

18

Сигнальный процессор начального уровня Специализированные аппаратные блоки выполняют все основные арифметические операции за 1 цикл Обычно 16-разрядный, поддерживает и целочисленные, и нецелочисленные операции Аппаратная поддержка управления точностью вычислений: «сторожевые» биты, насыщение, режимы округления Ограниченный набор битовых операций

Микропроцессор начального уровня Умножение и многоразрядные сдвиги, как правило, требуют более 1 цикла 32-разрядный, возможны только целые числа Насыщение, округление, как правило, требуют дополнительного цикла Возможен расширенный набор битовых операций

Таблица 3. Особенности вычислительных блоков в производительных процессорах Производительный сигнальный процессор До 8 арифметических модулей Наличие специализированных арифметических устройств: блок умножения с накоплением, декодер Витерби Поддержка различных разрядностей данных Набор битовых операций может варьироваться от очень ограниченного до разнообразного Аппаратная обработка округлений и математики с насыщением

www.elcp.ru

Производительный микропроцессор Как правило, от 1 до 3 арифметических модулей Универсальные математические устройства: блок целочисленной арифметики, устройство вычислений с плавающей запятой Поддержка различных разрядностей данных Возможен расширенный набор битовых операций Насыщение и округление, как правило, требуют дополнительного цикла

неравномерной нагрузке процессора, затрудняет оптимизацию и отладку. Причины возникновения недетерминированности — многозадачность, алгоритм, изменяющийся в зависимости от данных, динамические особенности архитектуры (суперскалярность, предсказание ветвлений, зависимые от данных времена выполнения инструкций). Динамические конструктивные особенности в большей мере характерны для процессоров общего назначения. Как правило, системы DSP строятся таким образом, чтобы избежать самой необходимости таких особенностей. В DSP начального уровня они не применяются, в производительных процессорах чаще всего используется кэширование, редко — суперскалярное выполнение и предсказание ветвлений. В процессорах общего назначения динамические особенности архитектуры, напротив, используются очень широко. В производительных системах обычно применяется суперскалярное выполнение инструкций с предсказанием ветвлений, динамическое кэширование применяется и на процессорах начального уровня. Рассмотрим перечисленные особенности более подробно. Кэширование работает по принципу уменьшения среднего времени доступа — оно эффективно для большинства приложений, но время доступа может варьироваться достаточно широко. В то же время многие приложения, в т.ч. приложения жесткого реального времени, чувствительны как раз к максимальному, а не среднему времени доступа. Последовательность доступа к данным в системах DSP, как правило, хорошо предсказуема. Таким образом, прямой доступ к памяти может быть эффективнее кэшей. Некоторые типы кэш-памяти предоставляют возможность предварительной выборки данных. В некоторых DSP кэш может быть отключен или переконфигурирован для частичного использования как статического ОЗУ. Предсказание ветвлений очень точно работает в большинстве приложений, в т.ч. и в приложениях обработки сигнала, где большинство ветвлений является частью цикла со счетчиком. Но сложные алгоритмы предсказания ветвлений вводят временную неопределенность. Сложно предсказать, является ли прогноз точным в конкретный момент времени. Основные методы обеспечения высокой производительности путем одновременного выполнения нескольких инструкций — это суперскалярность и архитектура VLIW (Very Long Instruction Word) — очень длинное командное слово. В суперскалярных процессорах есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения работы между ними решается аппаратно. Это

Таблица 4. Особенности систем команд процессоров начального уровня Сигнальный процессор начального уровня Специализированные сложные команды

Микропроцессор начального уровня Команды общего назначения

Одна команда задает несколько операций

Обычно одна команда — одна операция

Низкая ортогональность

Хорошая ортогональность

Таблица 5. Особенности систем команд производительных процессоров Высокопроизводительный сигнальный процессор

Высокопроизводительный Высокопроизводительный микропроцессор с SIMDмикропроцессор расширениями

Команды малой или средней сложности Простые команды

Команды средней сложности

Ортогональность варьируется от средней до очень высокой

Ортогональность варьируется от средней до очень высокой

Ортогональность варьируется от средней до очень высокой

– низкая сложность сопутствующего программного обеспечения (компилятора). Архитектура VLIW используется преимущественно в высокопроизводительных DSP: – сниженная аппаратная сложность; – отсутствие динамических особенностей поведения; – не всегда совместимый програм­ мный код; – повышенная сложность сопутствующего программного обеспечения. Трудоемкость разработки

Разработка программ для процессоров общего назначения является, как правило, менее трудоемкой. Сложность вызывает реализация SIMD-вычислений

19 Микроконтроллеры и DSP

очень усложняет дизайн процессора и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции, и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять ту или иную команду. Суперскалярность используется в большинстве высокопроизводительных процессоров общего назначения. Ее характерные особенности: – высокая аппаратная сложность, потребляемая мощность, большая площадь кристалла; – сложная модель поведения, непостоянство временных параметров; – высокая производительность при совместимости на уровне программного кода;

(в любых типах процессоров) — компилятор не всегда оказывается эффективным. С точки зрения поддержки, для DSP доступны библиотеки и инструменты DSP, в то время как для процессоров общего назначения — библиотеки и инструменты. Особенности наборов команд процессоров общего назначения и сигнальных процессоров приведены в таблицах 4 и 5. Что характерно, у простых DSP система команд более сложная, ориентированная на специфические операции, используемые при обработке сигналов. Инструментальные средства разработки для обоих классов процессоров разнообразны, есть как примитивные варианты, так и сложные. Основные различия сводятся к поддержке специфических функций DSP. Средства разработки для DSP поддерживают специализированные расширения языка C (типы данных с фиксированной запятой, кольцевые массивы и указатели), что позволяет получить более производительный код, а средства симуляции и отладки моделируют работу процессоров с точностью до цикла обращения к памяти, что дает возможность максимально оптимизировать выполнение программы. Поддержка ПО для DSP сторонних производителей значительно варьируется — от неудовлетворительной до отличной. Уровень поддержки функций DSP в средствах разработки, ориентированных на процессоры общего назначения, очень низкий,

электронные компоненты  №7 2009

но постепенно ситуация выправляется. Общим местом для этого класса процессоров является нехватка симуляторов с точностью до цикла. Поддержка стороннего ПО, не ориентированного на DSP, в средствах разработки для DSP ограничена, но расширяется. Процессоры общего назначения имеют очень широкую поддержку. Функции систем реального времени поддерживаются для обоих классов процессоров. Некоторые средства разработки позволяют подключать внешние инструментальные средства высокого уровня. Для некоторых DSP возможно подключение математических пакетов, например MATCAD. Для процессоров общего назначения существуют средства разработки пользовательских интерфейсов и т.д. Доступность и совместимость

Основное преимущество процессоров общего назначения — существование нескольких стандартных архитектур (PowerPC, MIPS, ARM, x86), на основе которых построено подавляющее большинство мощных процессоров, что обеспечивает переносимость кода не только внутри семейств, но и между ними. В сегменте процессоров начального уровня разнообразие выше, но и там двоичная совместимость кода встречается часто. Некоторые процессорные ядра (ARM, MIPS) могут производиться по лицензии, в т.ч. и в составе сложных многоядерных систем.

Сигнальные процессоры, напротив, в большинстве случаев используют проприетарные архитектуры. Лицензирование ядра для стороннего производства встречается очень редко (CEVA-X). Двоичная совместимость кода между поколениями процессоров может быть неполной. Полностью совместимы по коду, например, процессоры крупного семейства C6xxx производства Texas Instruments. Стоимость

Стоимость аппаратной составляющей системы зависит от реализации. В случае использования готовых компонентов цена складывается из стоимости микросхем и их интеграции в систему. При этом уменьшение количества компонентов может снизить стоимость системы. В случае системы на кристалле стоимость складывается из размера кристалла и лицензионных платежей. На стоимость системы влияет набор интегрированных периферийных устройств. В процессорах начального уровня обоих классов выбор периферийных устройств и интерфейсов обычно широк, но при этом они часто ориентированы на потребительские приложения, например USB, последовательные порты и т.д. В высокопроизводительных системах степень интеграции средняя или высокая, но бывают и исключения: например, процессоры для персональных компьютеров имеют минимум периферии. Но в сегменте

мощных процессоров используются специфические блоки, например декодер Витерби. Потребляемая мощность

На потребляемую мощность влияют многие факторы, как схемотехнические, так и технологические. Рассмотрим основные архитектурные особенности, встречающиеся как в процессорах общего назначения, так и в DSP. Параллелизация вычислений позволяет снизить тактовую частоту при сохранении производительности. С другой стороны, параллельная работа нескольких мощных вычислительных блоков может привести к повышению токов утечки. В суперскалярных архитектурах аппаратная реализация функции распределения ресурсов тоже потребляет энергию. Аппаратная реализация вычислительных функций и соответствующий задаче набор команд позволяют уменьшить количество инструкций, требуемых для выполнения того или иного алгоритма, и тем самым сократить количество обращений к памяти и тактовую частоту при сохранении производительности. Интегрированные решения энергетически гораздо более выгодны. Обращение к памяти, размещенной на кристалле, требует меньше энергии, чем обращение к внешней памяти. Кэширование не всегда помогает исправить ситуацию. Интегрированные интеллектуальные периферийные устройства эффективно работают при параллельных вычислениях и поддерживают режим энергосбережения процессора. Отдельно стоит отметить функции управления потреблением энергии. Они не являются специфичными для того или иного класса процессоров, но в случае особых требований к рассеиваемой мощности на них стоит обратить внимание. Оценка производительности

Рис. 3. Сравнение производительности процессоров верхнего уровня

Микроконтроллеры и DSP

20

Рис. 4. Соотношение быстродействия и потребляемой мощности для лицензируемых ядер

www.elcp.ru

При оценке производительности процессоров для обработки сигнала необходимо учитывать особенности приложений и продуктов. Относительная производительность может сильно варьироваться в зависимости от используемых средств. К данным, приводимым производителем, стоит относиться скептически: количество миллионов операций в секунду ни о чем не говорит. Точный инструмент — это тестовые программы. При оценке эффективности использования процессора важно рассматривать не только скорость вычислений, но и соотношение цена/производительность, энергопотребление, использование памяти. На рисунках 2—4 приведены сравнительные диаграммы производительности для разных процессоров.

в пределах стандартной промышленной архитектуры; – разработчики уже знакомы с ним; – вам необходимо решать другие задачи помимо обработки сигнала; – вы не планируете разрабатывать ПО, ориентированное на DSP; – при использовании процессора общего назначения можно задействовать уже имеющееся качественное ПО; – вам требуется многофункциональная операционная система; – детерминизм и предсказуемость времени выполнения не критичны; – микропроцессор предлагает наиболее полную интеграцию в разрабатываемую систему. Если предстоит решать комплексные задачи, включающие помимо обработки сигнала и задачи общего назначения, управления и т.д., то возможно несколько вариантов: – два процессора или двухъядерный чип — сочетает максимум возможностей двух классов процессоров. Но стоимость такого решения высока, а разработка программного обеспечения достаточно трудоемкая; – микропроцессор с расширениями DSP или сигнальным сопроцессором обеспечивает высокую вычислительную производительность в алгоритмах обработки сигналов, сохраняя характерные особенности процессоров общего назначения. Но, как правило, программное обеспече-

ние, средства разработки и SDK для решения задач DSP не самые эффективные, не позволяют создать максимально производительное решение малыми усилиями. Интеграция такого устройства в систему тоже может вызвать затруднения; – гибридный процессор — макси­ маль­но компромиссное решение. Не­пло­ хо справляется и с общими задачами, и с алгоритмами DSP. Но, как правило, программное обеспечение, инструменты для решения общих задач DSP — не самые оптимальные и удобные. – медиапроцессоры и процессоры, ориентированные на конкретные приложения. Свою задачу выполняют отлично. Но большая часть их ориентирована на мультимедийные приложения. Современные микропроцессоры решают весь спектр потенциальных задач, связанных с цифровой обработкой сигнала. Проблема выбора лучшего варианта из всего многообразия сложна, и однозначного пути ее решения нет — все зависит от конкретной системы, требований к ней и их приоритетности. В статье рассмотрены основные критерии выбора и соответствие типов процессоров этим критериям, но окончательное решение остается за разработчиком. Литература: 1. http://www.insidedsp.com/Home/tabid/ 36/Default.aspx

21 Микроконтроллеры и DSP

Выводы и заключение

Итак, в каком случае оптимальным будет выбор специализированного сигнального процессора? – Если требуется максимальное быстродействие или производительность при высокой нагрузке; – если есть совместимое ПО, и вы намерены его повторно использовать; – разработчики уже знакомы с ним; – если не требуется решать много задач помимо обработки сигнала; – если вы предполагаете разрабатывать ПО, использующее цифровую обработку сигналов; – при использовании DSP можно задействовать уже имеющееся качественное ПО; – вам не нужна многофункциональная операционная система; – требуется максимальный детерминизм времени выполнения; – DSP предлагает наиболее полную интеграцию в разрабатываемую сис­ тему. В то же время процессор общего назначения оптимален при следующих условиях: – микропроцессор обеспечивает достаточную производительность и эф­фек­тивность для нагрузки в части DSP; – есть совместимое ПО, и вы намерены его повторно использовать; – вы хотите иметь возможность менять производителей оборудования

электронные компоненты  №7 2009

ColdFire: перспективные решения для встраиваемых приложений Игорь Шагурин, д.т.н., проф., руководитель лаборатории микропроцессорных систем кафедры микро- и наноэлектроники, МИФИ В статье рассказывается о микропроцессорах и микроконтроллерах ColdFire, их производительности, функциональных особенностях и преимуществах по сравнению с другими 32-разрядными микропроцессорами и микроконтроллерами для встраиваемых приложений.

Микроконтроллеры и DSP

22

В 1994 г. компания Motorola, являвшаяся одним из лидеров на рынке производства полупроводниковых приборов, начала выпуск нового семейства 32-разрядных микропроцессоров, которое получило название ColdFire (условное обозначение MCF5xxx). Целью его разработки было создание процессоров с более высокой производительностью и с меньшей стоимостью, чем микропроцессоры семейства MC68xxx, которые были в то время основной продукцией Motorola в классе высокопроизводительных микропроцессоров. Для достижения этой цели процессоры проектировались с использованием ряда принципов RISC-архитектуры. Особенностью семейства ColdFire является использование команд переменной длины: 2, 4 или 6 байт. Благодаря этому микропроцессоры MCF5xxx требуют меньшего объема памяти программ по сравнению с традиционными RISC-процессорами, для которых характерна фиксированная (обычно 32-битная) длина команд. В то же время процессоры ColdFire имеют такую же регистровую модель пользователя, как семейство MC68xxx, реализуют набор команд и способы адресации этого семейства. Таким образом, реализуя удобный для пользователя широкий набор команд и способов адресации, характерных для RISC-процессоров, семейство ColdFire обеспечивает высокую производительность (выполнение в каждом такте одной и более операций), свойственную RISC-процессорам [1]. Компания Freescale Semiconductor, организованная в 2003 г. на базе Сектора полупроводниковых компонентов компании Motorola, продолжила выпуск этого семейства, значительно расширив его номенклатуру. В настоящее время в его состав входят более 90 моделей микропроцессоров и микроконтроллеров, имеющих широкий спектр характеристик и ориентированных на использование в аппаратуре различного назначения.

www.elcp.ru

Процессорные ядра ColdFire

Процессорное ядро CFPU (ColdFire Processor Unit), используемое семейством MCF5xxxx (Motorola ColdFire 5xxxx), имеет ряд модификаций. В современных моделях используются модификации V1, V2, V3, V4, у которых есть свои архитектурные особенности и сферы применения. Ядро ColdFire V2, применение которого началось в 1994 г., является базовым вариантом для семейства MCF5xxx. В современных моделях используется модифицированный вариант этого ядра V2e, который обеспечивает аппаратную реализацию команд деления и выполнение группы команд «умножение — сложение — накопление» (MAC-операции: Multiplication with Accumulation), позволяющих эффективно реализовать процедуры цифровой обработки сигналов (ЦОС). Данное ядро использует 32-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса, обеспечивающую адресацию памяти емкостью до 16 Мбайт. В ядре V2e организован четырехступенчатый конвейер выполнения команд, который позволяет в каждом такте получить результат выполнения очередной операции. Таким образом, средняя производительность процессорного ядра в MIPS (миллионов операций/с) практически соответствует его тактовой частоте в МГц. Это ядро используется в большинстве моделей микроконтроллеров и в ряде моделей микропроцессоров ColdFire. Ядро V1 представляет собой упрощенный вариант ядра V2, используемый в семействе совместимых 8- и 32-разрядных микроконтроллеров Flexis, выпуск которых начался в 2006 г. Это ядро не выполняет команды деления (процедура деления реализуется программно с помощью компилятора) и MAC-операции. Ядра V3 и V4 ориентированы на применение в высокопроизводительных микропроцессорах. В большинстве моделей семейства используются модифицированные варианты ядер V3e и V4e, реализую-

щие команду деления и расширенный набор MAC-операций — EMAC. В этих ядрах используется 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, обеспечивающая адресацию до 4 Гбайт памяти. В ядре V3e организован 6-ступенчатый конвейер выполнения команд с использованием статического предсказания направлений ветвления, обеспечивающий получение в каждом такте результата выполнения очередной операции. В ядре V4e, применение которого началось в 2000 г., реализован 9-ступечатый конвейер выполнения команд. Динамический механизм предсказания направления ветвления по результатам предыдущих команд позволяет сократить до минимума количество перезагрузок конвейера при операциях условных переходов. Исполнительный конвейер этого ядра обеспечивает одновременное выполнение двух операций, при этом процессор в среднем получает за один такт результаты 1,5 операций. Такая архитектура названа «ограниченно суперскалярной». Уже имеются сообщения о разработке следующей версии ядра — V5, которая имеет полностью суперскалярную архитектуру и должна обеспечить более высокую производительность. Однако пока отсутствует информация о выпуске на базе этого ядра новых моделей микропроцессоров ColdFire. Ядра ColdFire имеют два режима функционирования: – режим супервизора; – режим пользователя. При этом обеспечивается разделение системных ресурсов, которое позволяет организовать отдельные сегменты памяти для хранения программ, данных и организации стека, используемых операционной системой (супервизор) и прикладными задачами (пользователи). Процессорные ядра ColdFire содержат 16 32-разрядных регистров общего назначения и выполняют широкий набор команд с использованием раз-

MAC-сложение → ACC + + [(Rx × Ry)<<] -> ACC, MAC-вычитание → ACC – – [(Rx × Ry)<<] -> ACC, где Rx, Ry — регистры общего назначения, а произведение (Rx × Ry) сдвигается на заданное количество разрядов. Операции могут выполняться над целыми или дробными числами, возможно использование «арифметики с насыщением». Одновременно с выполнением этих операций может производиться загрузка из памяти содержимого региcтра общего назначения Rz, которое будет использовано в следующей MAC-операции. Обеспечивается возможность организации кольцевых массивов, выбираемых из памяти данных. При выполнении расширенного набора операций EMAС используются четыре 32-разрядных аккумулятора и обеспечивается получение 48-разрядного результата. Кроме одиночных MACопераций с загрузкой или без загрузки регистра Rz реализуется одновременное выполнение парных операций MACсложения и/или MAC-вычитания с использованием различных аккумуляторов — таким образом достигается ускоренное выполнение процедур цифровой обработки сигналов. На базе ядер V1 и V2e выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые имеют внутреннюю флэш-память емкостью 32…512 Кбайт и работают с тактовой частотой 50…80 МГц. На базе ядер V2e, V3e, V4e производятся микропроцессоры, которые не содержат внутренней флэшпамяти, используя внешнюю память, и работают с тактовой частотой до 266 МГц. На рисунке 1 проиллюстри-

Микроконтроллеры и микропроцессоры ColdFire для встраиваемых

систем

400MiPS

MCF5 4xx V4e 32-бит 166... 266 МГц

200MiPS MCF5 3xx V3e 32-бит 66... 240 МГц 150MiPS MCF5 2xx V2e 32-бит 50...160 МГц 50MiPS MCF5 1XXxxx V1 32-бит 50 МГц промышленные применения

Рис. 1. Производительность микроконтроллеров и микропроцессоров ColdFire с использованием различных ядер

рована производительность микроконтроллеров и микропроцессоров ColdFire, достигаемая при использовании различных процессорных ядер. Как следует из приведенных данных, обеспечивается производительность 50…400 MIPS (миллионов операций в секунду), что позволят реализовать на основе семейства ColdFire большой набор промышленных приложений. Следует отметить, что кроме применения в микроконтроллерах, ядро V1 может быть использовано в качестве сложнофункционального блока при разработке систем, реализуемых на базе FPGA [2]. Компанией IPextreme разработана IP-модель этого ядра для реализации на FPGA семейства Cyclone III (Altera). Предлагаемая модель обеспечивает выполнение деления и MAC-операций. Для подключения к процессорному ядру различных периферийных устройств используется стандартная шина AMBA. При реализации этого ядра на FPGA, производимых с технологическими нормами 0,13 мкм, обеспечивается тактовая частота 150 МГц. Для формирования ядра требуется 43 тыс. эквивалентных вентилей, что составляет всего несколько процентов от общих ресурсов FPGA этого семейства. Микроконтроллеры семейства ColdFire

Наиболее многочисленную группу составляют микроконтроллеры MCF52xxx, использующие процессорное ядро V2e. В эту группу входят 33 модели, которые отличаются максимальной тактовой частотой Ft, объемом внутренней памяти и составом периферийных модулей. Все микроконтроллеры этой группы используют напряжение питания 3,3 В, имеют рабочий диапазон температур –40…85°С. Основные характеристики этих микроконтроллеров приведены в таблице 1. В состав микроконтроллеров входит широкий набор интерфейсных моду-

лей. Для параллельного обмена данными используются порты ввода-вывода, количество которых составляет для разных моделей от 6 до 12. Большинство моделей содержит три универсальных асинхронных приемника-передатчика UART, один или два интерфейса меж­ схемного обмена I2C и буферизованный последовательный периферийный интерфейс QSPI (Queued Serial Peripheral Interface), который отличается от обычного интерфейса SPI наличием буферов типа FIFO для принимаемых и передаваемых данных емкостью по 32 байта, что позволяет избежать потерь информации в процессе обмена. Для реализации стандартных шинных протоколов обмена данными в состав ряда моделей включены контроллеры шин USB, CAN. Подключение к сетям Ethernet обеспечивается с помощью контроллеров FEC (Fast Ethernet Controller), которые позволяют производить обмен данными со скоростями до 10…100 Мбит/c. Набор таймерных модулей включает 16- и 32-разрядные таймеры, имеющие по 4 канала, каждый из которых может работать в режиме захвата или совпадения. Для 16-разрядных таймеров реализуется также режим формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией PWM (Pulse-Width Modulation). Кроме того, контроллеры этой группы имеют два или четыре таймера для реализации периодических прерываний PIT (Programmable Interrupt Timer). Все контроллеры данной группы имеют четыре таймера для периодической организации прямого доступа к внутренней памяти данных. В составе большинства моделей имеется также таймер формирования сигналов реального времени RTC (Real Time Clock), который питается от отдельного источника напряжения, обеспечивая непрерывный контроль текущего времени. Все модели данной группы содержат 8-канальный 10- или 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь,

электронные компоненты  №7 2009

23 Микроконтроллеры и DSP

нообразных способов адресации операндов: регистровая, косвеннорегистровая со смещением и индексированием, прямая, относительная, непосредственная. Реализуются различные варианты операций пересылок, включая пересылки «память–память», арифметические операции, включая деление и вычисление остатка, основные логические операции И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ, битовые операции, многоразрядные сдвиги, а также набор необходимых операций управления программой: условные и безусловные переходы, вызовы подпрограмм, прерывания. Набор MAC-операций реализуется с использованием дополнительного 32-разрядного аккумулятора ACC. При этом выполняются две основные операции:

Микроконтроллеры и DSP

24

обеспечивающий минимальное время преобразования 1,2 мкс и позволяющий одновременно измерять значения напряжения на двух входах. В составе данной группы имеются также микроконтроллеры со специфическими особенностями. Модели MCF5214/16 и MCF5280/81/82 ориентированы на использование совместно с внешней динамической памятью емкостью до 16 Мбайт. Для этого в состав этих моделей введен контроллер синхронной динамической памяти SDRAM и четырехканальный контроллер прямого доступа к памяти DMA. Для повышения производительности при работе с внешней памятью эти контроллеры имеют внутреннюю кэш-память емкостью 2 Кбайта, которая может использоваться как кэш команд, кэш данных или общий кэш команд-данных. В состав моделей MCF52255C, MCF52259C включен аппаратный блок криптографического преобразования данных ENC, который позволяет реализовать ряд стандартных алгоритмов криптографического кодирования: DES, 3DES, AES, MD5, SHA-1. Эти модели содержат также генератор случайных чисел. В 2006 г. компания Freescale Semiconductor начала производство совместимых 8- и 32-разрядных микроконтроллеров семейства Flexis, что позволяет пользователям существенно упростить процедуру перехода к применению в их продукции более высокопроизводительных 32-разрядных процессорных ядер. В состав семейства входят модели, полностью идентичные по тактовой частоте, объему внутренней памяти, набору периферийных устройств и другим характеристикам, но отличающиеся типом используемого процессорного ядра: 8-разрядное ядро S08, применяемое в семействе микроконтроллеров HC9S08, или 32-разрядное ядро ColdFire V1 [3]. При этом совместимость программного кода обеспечивается при программировании на языке С с использованием единой среды разработки CodeWarrior IDE, версия 6.0. Рабочий диапазон температур микроконтроллеров этого семейства составляет –40…85°С. В настоящее время выпускается ряд серий микроконтроллеров семейства Flexis, в которых используется модификация V1 процессорного ядра ColdFire. Их основные характеристики приведены в таблице 2. Микроконтроллеры этой группы имеют достаточно широкий набор интерфейсных модулей (два SCI, два SPI, два I2C), один или два аналоговых компаратора AC, многоканальные 12-битные АЦП, возможности подключения клавиатуры с помощью 8-разрядных портов, инициирующих запросы прерывания KBI (Key-Board Interrupt), таймер реального времени RTC.

www.elcp.ru

Таблица 1. Микроконтроллеры с ядром ColdFire V2e Модель MCF5211

Макс. Флэш, ОЗУ, Таймеры Ft, МГц Кбайт Кбайт 66, 80

128

16

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

Число Последоват. вх/ порты вых 44

UART — 3, I2C, QSPI 2

АЦП

Другие возможности

12-бит, 8 кан.

PWM, PIT — 2

MCF5212

66, 80

128

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

44

UART — 3, I C, QSPI

12-бит, 8 кан.

PWM, PIT — 2

MCF5213

66, 80

256

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

56

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан.

CAN, PWM, PIT — 2

MCF5214

66

256

64

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

142

UART — 3, I2C, QSPI

10-бит, 8 кан.

CAN, PIT — 4, K — SDRAM

MCF5215

66

512

64

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

142

UART — 3, I2C, QSPI

10-бит, 8 кан.

CAN, PIT — 4, K — SDRAM

MCF52100

66, 80

64

16

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

44

UART — 3, I2C — 2, QSPI

12-бит, 8 кан.

RTC, PWM, PIT — 2

MCF52110

66, 80

128

16

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

56

UART — 3, I2C — 2, QSPI

12-бит, 8 кан.

RTC, PWM, PIT — 2

MCF52210

66, 80

64

16

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

46

UART — 3, I2C — 2, QSPI

12-бит, 8 кан.

USB, RTC, PWM, PIT — 2

MCF52211

66, 80

128

16

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

52

UART — 3, I2С — 2, QSPI

12-бит, 8 кан.

USB, RTC, PWM, PIT — 2

MCF52212

50

64

4

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

35

UART — 2, I2C — 2, QSPI

12-бит, 8 кан.

USB, RTC, PWM, PIT — 2

MCF52213

50

128

8

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

35

UART — 3, I2C — 2, QSPI

12-бит, 8 кан.

USB, RTC, PWM, PIT — 2

MCF52221

66, 80

128

16

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

46

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан.

USB, RTC, PWM, PIT — 2

MCF52223

66, 80

256

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

52

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан.

USB, RTC, PWM, PIT — 2

MCF52230

60

128

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

76

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан. FEC, RTC, PIT — 2

MCF52231

60

128

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

76

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан.

MCF52232

50

128

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

43

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан. FEC, RTC, PIT — 2

MCF52233

60

256

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

76

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан. FEC, RTC, PIT — 2

2

FEC, CAN, RTC, PIT — 2

MCF52234

60

256

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

76

UART — 3, I C, QSPI

12-бит, 8 кан.

FEC, CAN, RTC, PIT — 2

MCF52235

50

256

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

76

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8кан.

FEC, CAN, RTС, PIT — 2

MCF52236

50

256

32

32-бит, 4 кан. 16-бит, 4 кан.

43

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан.

FEC, CAN, RTC, PIT — 2

MCF52252

80

256

32

16-бит, 4 кан.

64

UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан.

FEC, USB, RTC, PWM

MCF52252C

66

256

32

16-бит, 4 кан.

64

12-бит, 8 кан.

FEC, USB, CAN, RTC, PWM

MCF52254

80

512

64

16-бит, 4 кан.

64

12-бит, 8 кан.

FEC, USB, RTC

MCF52254C

66

512

64

16-бит, 4 кан.

64

MCF52255C

80

512

64

16-бит, 4 кан.

64

MCF52256

80

256

32

16-бит, 4 кан.

96

MCF52256C

66

256

64

16-бит, 4 кан.

96

MCF52258

80

512

64

16-бит, 4 кан.

96

MCF52258C

66

512

64

16-бит, 4 кан.

96

MCF52259C

80

512

64

16-бит, 4 кан.

96

MCF5280

66, 80

—

64

MCF5281

66, 80

256

64

MCF5282

66, 80

512

64

32-бит, 4 кан. 16-бит, 8 кан. 32-бит, 4 кан. 16-бит, 8 кан. 32-бит, 4 кан. 16-бит, 8 кан.

150 150 150

UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI UART — 3, I2C, QSPI

12-бит, 8 кан. 12-бит, 8 кан. 12-бит, 8 кан. 12-бит, 8 кан. 12-бит, 8 кан. 12-бит, 8 кан. 12-бит, 8 кан. 10-бит, 8 кан. 10-бит, 8 кан. 10-бит, 8 кан.

FEC, USB, CAN, RTC, PWM FEC, USB, CAN, RTC, PWM, ENCR FEC, USB, RTC, PWM FEC, USB, CAN, RTC, PWM PWM FEC, USB, RTC, PWM FEC, USB, CAN, RTC, PWM FEC, USB, CAN, RTC, PWM, ENCR FEC, USB, PIT — 4, K — SDRAM FEC, USB, PIT — 4, K — SDRAM FEC, USB, PIT — 4, K — SDRAM

Микроконтроллеры этой серии содержат также сторожевой таймер. В состав микроконтроллеров серии CN включен FEC — контроллер сети Ethernet. Особенностью микроконтроллеров серии EM является использование модифицированного ядра V1, которое выполняет набор MAC-операций. Микроконтроллеры этой серии содержат быстрый 16-разрядный АЦП и конт­ роллер многострочного ЖК-дисплея размерностью до 288 символов.

В состав серии CE входят микроконтроллеры с низким энергопотреблением. Микроконтроллеры этой серии работают при напряжении питания 1,8…3,6 В, при этом обеспечивается максимальная тактовая частота ядра Ft = 50 МГц в диапазоне напряжений 3,6…2,1 В и Ft = 20 МГц в диапазоне 1,8…2,1 В. При максимальной рабочей частоте 50 МГц ток питания микроконтроллеров не превышает 27 мА, а при выключенных периферийных устройствах и тактовой частоте 32 КГц потребляемый ток не превышает 50 мкА. Обеспечивается несколько вариантов энергосберегающих режимов, при этом потребляемый ток в режиме останова составляет 1 мкА и ниже. Серия JM предназначена для приложений, использующих интерфейсы CAN и USB. В состав микроконтроллеров этой серии включен также блок криптографического преобразования данных ENC, реализующий алгоритмы DES, 3DES, AES, MD5, SHA-1 и генератор случайных чисел. Серия AC ориентирована на приложения, связанные с управлением двигателями. Для этого используется 24-канальный 12-битный АЦП и два дополнительных 16-битных таймерных модуля FTM (Flex Timer Module), каналы которых могут синхронизироваться для совместного выполнения функций управления.

Встраиваемые микропроцессоры семейства ColdFire

Микропроцессоры семейства ColdFire ориентированы на использование во встраиваемых системах, поэтому они интегрируют на кристалле большую номенклатуру периферийных модулей. Т.к. максимальная частота функционирования современной флэш-памяти не превышает 80…90 МГц, то для повышения производительности систем встраиваемые микропроцессоры не содержат внутренней флэш-памяти, а используют внешнюю динамическую память SDRAM и внутреннюю кэш-память емкостью от единиц до десятков Кбайт. Благодаря этому достигается значительное повышение тактовой частоты — до 266 МГц (для микроконтроллеров с флэш-памятью не более 80 МГц).

Поэтому все микропроцессоры семейства ColdFire имеют выход на 32-разрядную системную шину (32 разряда данных и 32 разряда адреса) и содержат контроллер внешней динамической памяти SDRAM и блок прямого доступа к памяти DMA, обеспечивающий быструю загрузку внутреннего ОЗУ по нескольким каналам внешнего доступа (2, 4 или 16 каналов). Кэш-память, которая входит в состав всех микропроцессоров семейства, имеет различные варианты реализации. Большинство моделей содержит программируемую кэш-память C(I/D), которая может использоваться либо как кэш команд CI, либо как кэш данных CD, либо как общий кэш команд-данных CU. Некоторые модели содержат только кэш команд CI или общий кэш CU. В большинстве микропроцессоров на базе высокопроизводительного ядра V4e имеются раздельные кэши команд и данных. В состав всех микропроцессоров входят часы реального времени RTC и сторожевой таймер WDT. Большинство микропроцессоров использует два напряжения питания: 1,5 В — для ядра и 3,3 В — для периферийных каскадов. В ряде моделей требуется дополнительное напряжение 2,5 В для организации интерфейса с внешней динамической памятью.

Таблица 2 . Микроконтроллеры с ядром ColdFire V1 (семейство Flexis) Макс. Ft, МГц

Флэш, Кбайт

ОЗУ, Кбайт

Таймеры

Число вх/вых

MCF51QE32

50

32

8

16-бит, 6 кан. 2×16-бит, 3 кан.

54

MCF51QE64

50

64

8

16-бит, 6 кан. 2×16-бит, 3 кан.

54

MCF51QE128

50

128

8

16-бит, 6 кан. 2×16-бит, 3 кан.

до 70

MCF51JM32

50

32

16

16-бит, 6 кан. 16-бит, 2 кан.

до 66

MCF51JM64

50

64

16

16-бит, 6 кан. 16-бит, 2 кан.

до 66

MCF51JM128

50

128

16

16-бит, 6 кан. 16-бит, 2 кан.

до 66

MCF51AC128

50

128

16

2×16-бит, 6 кан 16-бит, 2 кан

до 70

MCF51AC256

50

256

32

2×16-бит, 6 кан 16-бит, 2 кан

до 70

MCF51CN128

50

128

24

2×16-бит, 3 кан.

до 70

MCF51EM128

50

128

32

MCF51EM256

50

256

32

16-бит, 6 кан. 16-бит,1 кан. 2×8-бит, 1 кан. 16-бит, 6 кан. 16-бит, 2 кан. 2×8-бит, 1 кан.

до 70 до 70

Последоват. порты SCI — 2, I2C — 2, SPI — 2 SCI — 2, I2C — 2, SPI — 2 SCI — 2, I2C — 2, SPI — 2 SCI — 2, I2C — 2, SPI — 2 SCI — 2, I2C — 2, SPI — 2 SCI — 2, I2C — 2, SPI — 2 SCI — 2, I2C, SPI — 2 SCI — 2, I2C , SPI — 2 UART — 3 I2C — 2 SPI — 2 SCI — 3 I2C SPI — 2 SCI — 3 I2C SPI — 2

АЦП

Другие возможности

12-бит, 20 кан.

KBI — 2, AC — 2

12-бит, 20 кан.

KBI — 2, AC — 2

12-бит, 20 кан.

KBI — 2, AC — 2

12-бит, 12 кан.

KBI, AC, RTC, CAN, USB, ENC

12-бит, 12 кан.

KBI, AC, RTC, CAN, USB, ENC

12-бит, 12 кан.

KBI, AC, RTC, CAN, USB, ENC

12-бит, 24 кан.

KBI, AC — 2, CAN, RTC

12-бит, 24 кан.

KBI, AC — 2, CAN, RTC

12-бит, 12 кан.

KBI — 2, FEC, RTC

16-бит, 4 кан.

LCD, KBI, RTC

16-бит, 4 кан.

LCD, KBI, RTC

электронные компоненты  №7 2009

25 Микроконтроллеры и DSP

Модель

Группа встраиваемых микропроцессоров, использующих процессорное ядро V2e, содержит 20 моделей, основные характеристики которых приведены в таблице 3. В состав моделей входит большой набор периферийных устройств, большинство из которых аналогично используемым в микроконтроллерах этого семейства. Однако в некоторых моделях используются дополнительные типы устройств в соответствии со спецификой применения этих микропроцессоров. Микропроцессоры серии MCF5227x ориентированы на применение во встраиваемых системах с жидкокристаллическими дисплеями размером до 600×800 пикселов, имеющими сенсорный экран. Поэтому в их состав входит ЖКД-контроллер с 12-битным (в модели MCF52274) или 18-битным (в модели MCF52277) разрешением цветов. В этих моделях используются также синхронный последовательный интерфейс SSI и DSPI — модифицированный вариант последовательного интерфейса SPI, который работает по

запросу внешних устройств в режиме прямого доступа к памяти. Интерфейс DSPI служит для быстрого обмена данными между микропроцессором и внешними устройствами, например видеопамятью. В микропроцессорах серии MCF523x используется дополнительный таймерный процессор eTPU (enhanced Time-Processing Unit), обеспечивающий прием и выдачу сигналов в реальном масштабе времени по 16 или 32 каналам. Его применение расширяет возможности управления различными устройствами системы. Микропроцессоры серии MCF524х предназначены для применения в различных аудиосистемах. Они содержат 12-разрядный аналого-цифровой преобразователь, аудиодекодер, реализующий протокол IIS, и контроллер проигрывателя компакт-дисков. В их составе имеется также контроллер жесткого диска, обеспечивающий интерфейс по протоколу ATA или IDE. Модель MCF5272 имеет расширенные возможности коммуникационного обмена данными. Кроме Ethernet-

контроллера FEC, в его составе имеется контроллер PLIC (Physical Level Interface Controller), реализующий на физическом уровне стандартные протоколы сетевого обмена с временным разделением каналов GDI/IDL и позволяющий обеспечить программную реализацию протокола HDLC. В составе моделей MCF5235, MCF5275, MCF5275L содержатся блоки криптографического преобразования данных ENC, реализующие алгоритмы MD5, SHA-1, и генератор случайных чисел. Температурный диапазон функционирования для данной группы микропроцессоров составляет –40…85°С. Высокопроизводительные микропроцессоры семейства ColdFire реализуются на базе ядер V3e, V4e, за исключением моделей MCF5307, MCF5407, которые являются родоначальниками соответствующих серий и используют более ранние версии процессорных ядер V3, V4. Основные характеристики этих микропроцессоров приведены в таблице 4. На базе ядра V3e выпускаются две серии высокопроизводительных микропроцессоров, работающих с так-

Таблица 3. Встраиваемые микропроцессоры с ядром ColdFire V2e

Микроконтроллеры и DSP

26

Модель

Макс. Ft, МГц

Кэш, Кбайт

ОЗУ, Кбайт

Таймеры/ PWM

Число вх/вых

Последоват. порты

АЦП

Другие возможности

MCF5206e

40, 54

4K — CI

8

16-бит, 2 кан.

-

UART — 2, I2C,

—

DMA — 2к.

2

MCF5207

166

8K — C(I/D)

16

32-бит, 4 кан.

30

UART — 3, I C, QSPI

—

DMA — 16 к., PIT — 2

MCF5208

166

8K — C(I/D)

16

32-бит, 4 кан.

50

UART — 3, I2C, QSPI

—

DMA — 16 к., PIT — 2, FEC

MCF52274

120

8K — C(I/D)

128

47

UART — 3, I2C, DSPI

12-бит, 8 кан.

MCF52277

160

8K — C(I/D)

128

56

UART — 3, I2C, DSPI

12-бит, 8 кан.

MCF5232

80, 100, 150

8K — C(I/D)

64

32-бит, 4 кан.

79

UART — 3, I2C, QSPI

—

MCF5233

80, 150

8K — C(I/D)

64

32-бит, 4 кан.

79

UART — 3, I2C, QSPI

—

MCF5234

80, 150

8K — C(I/D)

64

32-бит, 4 кан.

81

UART — 3, I2C, QSPI

—

MCF5235

80, 150

8K — C(I/D)

64

32-бит, 4 кан.

81

UART — 3, I2C, QSPI

—

MCF5249L

120

8K — CI

96

16-бит, 2 кан.

49

MCF5249

140

8K — CI

96

16-бит, 2 кан.

64

MCF5251

140

8K — CI

128

16-бит, 2 кан.

60

UART — 3, I C — 2, QSPI

12-бит, 6 кан.

MCF5253

140

8K — CI

128

16-бит, 2 кан.

60

UART — 3, I2C — 2, QSPI

12-бит, 6 кан.

MCF5270 MCF5271

100 100

16K — C(I/D) 16K — C(I/D)

64 64

MCF5272

66

16K — C(I/D)

4

MCF5274L

133, 166

16K — C(I/D)

64

MCF5274

133, 166

16K — C(I/D)

64

MCF5275L

133, 166

16K — C(I/D)

64

MCF5275

133, 166

16K — C(I/D)

64

www.elcp.ru

32-бит, 4кан./ 4кан., 16-бит 32-бит, 4кан./ 4кан., 16-бит

32-бит, 4 кан. 32-бит, 4 кан. 32-бит, 4 кан./ 3 кан., 8-бит 32-бит, 4 кан./ 4 кан., 8-бит 32-бит, 4 кан./ 4 кан., 8-бит 32-бит, 4 кан./ 4 кан., 8-бит 32-бит, 4 кан./ 4 кан., 8-бит

78

UART — 2, I2C — 2, QSPI UART — 2, I2C — 2, QSPI 2

12-бит, 6 кан. 12-бит, 6 кан.

DMA — 16 к., PIT — 2, USB, CAN, SSI, WDT, LCD — K DMA — 16 к., PIT — 2, RTC, USB, CAN, SSI, RTC, WDT, LCD — K DMA — 4 к., PIT — 4, RTC, CAN, eTPU — 16 к. DMA — 4 к., PIT — 4, RTC, CAN — 2, eTPU — 32 к. DMA — 4 к., PIT — 4, RTC, CAN, eTPU — 16 к. DMA — 4 к., PIT — 4, RTC, CAN — 2, eTPU — 16 к., ENC DMA — 4 к., RTC, IDE, ATA, IIS, CD — ROM, DMA — 4 к., RTC, IDE, ATA, IIS, CD — ROM, DMA — 4 к., RTC, CAN — 2, USB, IDE, ATA, IIS, CD — ROM, DMA — 4 к., RTC, CAN — 2, USB, IDE, ATA, IIS,

2

—

DMA — 4 к., PIT — 4, WDT, FEC

2

UART — 3, I C, QSPI

78

UART — 3, I C, QSPI

—

DMA — 4 к., PIT — 4, WDT, FEC, ENC

48

UART — 2, QSPI

—

DMA — 2 к., WDT, FEC, PLIC

53

UART — 3, I2C, QSPI

—

DMA — 4 к., PIT — 4, WDT, FEC, USB,

74

UART — 3, I2C, QSPI

—

DMA — 4 к., PIT — 4, WDT, FEC — 2, USB,

53

UART — 3, I2C, QSPI

—

DMA — 4 к., PIT — 4, WDT, FEC, USB, ENC

74

UART — 3, I2C, QSPI

—

DMA — 4 к., PIT — 4, WDT, FEC — 2, USB, ENC

товой частотой до 240 МГц и выполняющих 1 команду за такт, обеспечивая среднюю производительность до 211 MIPS. В серию MCF532x входят модели, которые содержат контроллер полноформатного ЖК-дисплея в стандарте SVGA. Отметим, что наряду с моделью MCF5328 в составе этой серии выпускается ее модификация MCF53281, которая содержит блок, обеспечивающий поддержку технологии VoIP — передачу голоса по IP-сетям. В серию MCF537x входят модели со стандартным набором периферийных блоков, причем модели с нечетными номерами имеют в своем составе блок криптографической кодировки данных ENC. Все модели данной группы функционируют в температурном диапазоне –40…85°С. Более многочисленная номенклатура микропроцессоров выпускается на базе ядра V4e, которое работает на тактовой частоте до 266 МГц. При этом за счет ограниченной суперскалярности этого процессорного ядра

числами одинарной (32 бита) и двойной (64 бита) точности. В состав этих микропроцессоров входят четыре программируемых последовательных контроллера PSC, которые могут реализовать функции интерфейсов UART, USART и IrDA (передача данных по инфракрасному каналу). Для быстрого обмена данными с внутренним ОЗУ в режиме прямого доступа в микропроцессорах этих серий имеется буферизованный последовательный интерфейс DSPI. Микропроцессоры серии MCF5445x функционируют в температурном диапазоне 0…70°С или –40…85°С, серии MCF5447x — в диапазоне 0…70°С, серии MCF5447x — в диапазоне –40…85°С.

достигается средняя производительность до 410 MIPS — в два раза выше, чем в микропроцессорах с ядром V3e. Все микропроцессоры этой группы имеют в своем составе блок управления памятью MMU, который реализует страничную адресацию виртуальной памяти емкостью до 240 байт (1 Тбайт) с размерами страниц 4 Кбайт, 8 Кбайт, 1 Мбайт или 16 Мбайт. Все модели с нечетными номерами содержат блок криптографической кодировки данных ENC с расширенным набором реализуемых алгоритмов шифрования — DES, 3DES, AES, MD5, RC4, SHA-1, SHA-256, а также имеют внутренний генератор случайных чисел. Большинство микропроцессоров данной группы содержит контроллер стандартной периферийной шины PCI. Микропроцессоры серий MCF5447х и MCF5448x содержат блок обработки чисел с плавающей точкой, который выполняет набор арифметических операций в соответствии со стандартом IEEE-754 над вещественными

Средства программирования и отладки

Микроконтроллеры и микропроцессоры семейства ColdFire содержат набор внутренних средств, которые обеспечивают достаточно широкие возможности тестирования и отладки.

Таблица 4 . Высокопроизводительные встраиваемые микропроцессоры с ядрами ColdFire V3/V3e и V4/V4e

MCF5307

Макс. Ft, МГц 66, 90

Кэш, Кбайт 8K — CU

ОЗУ, Кбайт 4

Таймеры/ PWM 16-бит, 2 кан. 32-бит, 4 кан./ 2 кан., 16 бит

Число вх/вых 16

Последоват. порты UART — 2 2

Другие возможности DMA — 4 к., RTC, WDT DMA — 16 к., PIT — 4,USB, LCD — SVGA, RTC, WDT DMA — 16 к., PIT — 4, FEC, USB, LCD — SVGA, RTC, WDT, (VoIP) DMA — 16 к., PIT — 4, FEC, USB, CAN, LCD — SVGA, RTC, WDT, ENC DMA — 16 к., PIT — 4, FEC, RTC, WDT, (ENC) DMA — 16 к., PIT — 4, FEC, USB, RTC, WDT, (ENC)

64

UART — 3, I C, QSPI

32-бит, 4 кан./ 4 кан., 16 бит

94

UART — 3, I2C, QSPI

32-бит, 4 кан./ 4 кан., 16 бит

94

UART — 3, I2C, QSPI

46

UART — 3, I2C, QSPI

62

UART — 3, I2C, QSPI

16-бит, 2 кан.

16

UART, USART, I2C

DMA — 4 к., RTC, WDT,

32

32-бит, 4 кан.

93

UART — 2, I2C, DSPI

16K — С(I/D)

32

32-бит, 4 кан.

132

UART — 3, I2C, DSPI

200, 266

16K — С(I/D)

32

32-бит, 4 кан.

132

UART — 3, I2C, DSPI

MCF54470/71

200

32K — CI 32K — CD

32

32-бит, 4 кан.

93

PSC — 4, I2C, DSPI

MCF54472/73

200

32K — CI 32K — CD

32

32-бит, 4 кан.

77

PSC — 4, I2C, DSPI

MCF54474/75

266

32K — CI 32K — CD

32

32-бит, 4 кан.

93

PSC — 4, I2C, DSPI

MCF54480/81

166

32K — CI 32K — CD

32

32-бит, 4 кан.

93

PSC — 4, I2C, DSPI

MCF54482/3

166

32K — CI 32K — CD

32

32-бит, 4 кан.

77

PSC — 4, I2C, DSPI

MCF54484/5

200

32K — CI 32K — CD

32

32-бит, 4 кан.

93

PSC — 4, I2C, DSPI

DMA — 16 к., FEC, USB, SSI, RTC, WDT, (ENC), MMU DMA — 16 к., FEC — 2, USB, SSI, PCI — K, RTC, WDT, (ENC), MMU DMA — 16 к., FEC — 2, USB, SSI, PCI — K, ATA — K, RTC, WDT, (ENC), MMU DMA — 16 к., FEC — 2, RTC, WDT, (ENC), MMU + FPU DMA — 16 к., FEC, USB, PCI — K, RTC, WDT, (ENC), MMU + FPU DMA — 16 к., FEC — 2, USB, SSI, PCI — K, RTC, WDT, (ENC), MMU + FPU DMA — 16 к., FEC — 2, USB, RTC, WDT, (ENC), MMU + FPU DMA — 16 к., FEC, USB, PCI — K, RTC, WDT, (ENC), MMU + FPU DMA — 16 к., FEC — 2, USB, PCI — K, RTC, WDT, (ENC), MMU + FPU

MCF5327

240

16K — С(I/D)

32

MCF5328 (81)

240

16K — С(I/D)

32

MCF5329

240

16K — С(I/D)

32

MCF5372/73

180

16K — С(I/D)

32

MCF5372L/73L

240

16K — С(I/D)

32

MCF5407

166, 220

16K — CI 8K — CD

32

MCF54450/51

180, 240

16K — С(I/D)

MCF54452/53

200, 266

MCF54454/55

32-бит, 4 кан./ 4 кан., 16 бит 32-бит, 4 кан./ 4 кан., 16 бит

электронные компоненты  №7 2009

27 Микроконтроллеры и DSP

Модель

Большинство моделей содержит тестовый порт, который позволяет производить тестирование и отладку систем в соответствии со стандартом JTAG (IEEE 1149.1). Особенностью данного семейства является реализация режима отладки BDM (Back-Ground Debug Mode). В данном режиме процессор работает под управлением внешнего отладочного устройства (персонального компьютера), c помощью которого производятся необходимые процедуры контроля и модификации содержимого регистров и ячеек памяти, контроль внутреннего состояния процессора при выполнении текущей программы, выполнение программы с остановами в контрольных точках. Следует отметить, что компания Freescale Semiconductor и ряд других поставщиков предлагают для этого семейства большой набор средств программирования и отладки. Компания Freescale Semiconductor выпускает большой набор оценочных плат стоимостью 300—850 долл. и демонстрационных наборов стоимостью 100—350 долл. для значительного числа моделей семейства ColdFire. Аналогичные изделия выпускают компании AXIOM, Phytec, P&E Microcomputer Systems, SofTec и ряд других производителей. Комплекс интегрированных средств программированияотладки, включающий компиляторы, симуляторы, отладчики, поставляется компаниями Freescale Semiconductor, Avocet Systems, Altium, Green Hills Software, IAR, Wind River Systems и др. Компания Freescale Semiconductor предлагает пользователям интегрированную среду разработки Code Warrior (CW), версия v7.0, которая обеспечивает возможности программирования для всех моделей семейства ColdFire с ядрами V2, V3, V4. При этом комплект CW Special с ограничениями по функциям и объему программного кода имеется в свободном доступе, стоимость рабочих комплектов составляет от 395 (базовый комплект CW Basic) до 1995 долл. (полный комплект CW Professional). В свободном

Микроконтроллеры и DSP

28

доступе имеется также вариант операционной системы реального времени Freescale MQX для семейства ColdFire. Операционные системы реального времени (RTOS) для данного семейства предлагаются также компаниями ENEA, Green Hills Software, Wind River Systems и рядом других. В свободном доступе имеются средства программирования для семейства ColdFire, распространяемые по лицензии GNU. Необходимую информацию о предлагаемых аппаратных и программных средствах программирования/отладки можно найти на сайтах компаний-производителей. Заключение

Как показывает проведенный обзор, микропроцессоры и микроконтроллеры семейства ColdFire имеют ряд существенных достоинств [4]: – расширенный набор команд и способов адресации, включая MAC-операции и операции над числами с плавающей точкой, удобный и эффективный для создания системных и пользовательских программ; – высокая производительность, которая достигает 76 MIPS для микроконтроллеров с флэш-памятью и 410 MIPS для встраиваемых микропроцессоров; – большой объем внутренней памяти — ОЗУ емкостью до 128 Кбайт, флэш-память емкостью до 512 Кбайт (для микроконтроллеров); возможности подключения быстродействующей внешней памяти SDRAM емкостью до 4 Гбайт (для микропроцессоров); – широкая номенклатура моделей, ориентированных на применение в электронной аппаратуре различного назначения; – наличие в составе семейства моделей с низким энергопотреблением, которые перспективны для использования в системах с ограниченными энергоресурсами; – большой набор внутренних периферийных устройств, включающий все основные виды интерфейсных блоков и шинных контроллеров, различные варианты таймерных модулей, 12-разрядные АЦП, контроллеры ЖК-дисплеев и ряд других специализированных контроллеров; – возможности криптографического кодирования данных с использованием ряда стандартных алгоритмов. При поставке промышленных партий (объем 10 тыс. шт.) стоимость микроконтроллеров MCF51xx (ядро V1) составляет 2—5 долл., микроконтроллеров MCF52xx (ядро V2e) — 4—18 долл. (для большинства моделей — менее 10 долл.). Стоимость встраиваемых микропроцессоров при поставке таких же партий составляет 5—25 долл. По совокупности перечисленных характеристик семейство ColdFire занимает одно из лидирующих мест среди 32-разрядных микропроцессоров и микроконтроллеров, ориентированных на использование во встраиваемых приложениях. В настоящее время различные модели этого семейства широко используются в системах промышленной автоматики, медицинской и офисной технике, периферийных устройствах компьютерных систем, контрольно-измерительном и телекоммуникационном оборудовании, торговых терминалах, сложной бытовой аппаратуре. Продолжается интенсивное развитие этого семейства, что расширяет перспективы его применения в новых разработках встраиваемых систем. Литература 1. Шагурин И.И. Современные микроконтроллеры и микропроцессоры Motorola. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. 2. www.ip-extreme.com/corestore. 3. Соколов М. Новое поколение 8- и 32-разрядных микроконтроллеров с ультранизким знергопотреблением//Электронные компоненты, 2007, №№10—11. 4. www. freescale.com/coldfire

www.elcp.ru

Многоядерные интегрированные сетевые процессоры высокой пропускной способности Владимир Егоров, к.т.н., в.н.с., Институт проблем информатики РАН Статья знакомит читателя с новейшими многоядерными интегрированными сетевыми процессорами. Эти высокопроизводительные системы на кристалле обладают потенциальной пропускной способностью в десятки гигабит и способны обрабатывать десятки миллионов пакетов в секунду. фирмы тщательно охраняют свои ноухау, и мало того, что ни SPP, ни ASIC с архитектурой NPA нет на открытом рынке микроэлектроники, но и технической информации об этих микросхемах нет даже в интернете. Поэтому предметом рассмотрения в настоящей статье будут только современные общедоступные сетевые процессоры, которые, во-первых, имеются в продаже для широкого круга пользователей и, во-вторых, способны обеспечить в оригинальных разработках коммуникационные порты со скоростями 10 и более Гбит/с. Соответственно, без внимания останутся как устаревшие сетевые процессоры (например, IXP2855 компании Intel или C-port компании Freescale Semiconductor), так и вполне современные приборы с гигабитными коммуникационными портами, но все же не перешагивающие порог в 10 Гбит/с, в частности коммуникационные микроконтроллеры семейств PowerQUICC II Pro и PowerQUICC III компании Freescale, сетевые процессоры семейства Octeon компании Cavium Networks и пакетные процессоры WinArrow и WinIP компании Wintegra. Сетевые процессоры Octeon Plus и Octeon II

Семейство сетевых процессоров Octeon Plus компании Cavium пришло на смену предыдущему поколению «гигабитных» сетевых процессоров Octeon, сохраняя с ним программную совместимость. В новое семейство, поднявшее планку скоростей передачи данных до 10 Гбит/с, вошли системы на кристалле (СнК), включающие 4…16 встроенных процессоров, контроллеры внешних интерфейсов, в т.ч. телекоммуникационных, и несколько сопроцессоров в разнообразных сочетаниях. Обобщенная и немного упрощенная блок-схема сетевых процессо-

ров семейства Octeon Plus показана на рис. 1. Каждый из встроенных процессоров базируется на ядре MIPS64 (release 2)1, имеет кэши инструкций и данных объемом 32 и 16 Kбайт соответственно с дополнительным буфером записи размером 2 Kбайт, а также блоки пакетной и криптографической обработки. Ядра улучшенной архитектуры могут работать на частотах 500 МГц…1 ГГц с максимальной производительностью одного ядра до двух миллиардов инструкций в секунду. В целом суммарная производительность семейства Octeon Plus примерно вдвое превышает производительность аналогичных моделей семейства Octeon. Память и периферия подключается к блоку процессоров через когерентную коммутационную структуру с высокой пропускной способностью и порт быстрого доступа к контроллеру RLDRAM (на рис. 1 условно объединены и обозначены « ») Высокопроизводительная система когерентной памяти включает два контроллера: – основной стандартной динамической памяти DDR2 SDRAM относительно больших объемов; – дополнительной специальной быстродействующей памяти RLDRAM2 (reduced latency DRAM) ограниченного объема. Контроллер основной памяти предоставляет пользователю 72 или 144 разрядный интерфейс с рабочей частотой до 400 МГц (800 Мбит/с на разряд), он подключен к коммутационной структуре через кэш второго уровня объемом 2 Mбайт с возможностью его блокировки и разделения. Контроллер RLDRAM2 работает на такой же частоте и также имеет вариантный внешний интерфейс с раздельными трактами чтения и записи 2×18 или 4×9.

1

Выбор в данном случае архитектуры MIPS вряд ли случаен. Между штаб-квартирами компаний MIPS и Cavium, расположенными в Маунтин Виста «Кремниевой долины», по прямой всего 4 км.

электронные компоненты  №7 2009

29 Микроконтроллеры и DSP

Введение

Сетевые процессоры как отдельное направление современной телекоммуникации появились практически одновременно с широким внедрением в жизнь пакетных сетей и возникновением потребности в специализированном высокопроизводительном оборудовании для обработки пакетов, от тривиальной коммутации и маршрутизации до оперативного решения разнообразных сетевых задач, таких как обеспечение качества обслуживания или сетевой безопасности. Первое время в простейших приложениях с функциями такого рода справлялись универсальные компьютеры, оснащенные дополнительными коммуникационными адаптерами и специализированным программным обеспечением. Но в более сложных случаях их производительность и пропускная способность оказались катастрофически недостаточными. В какой-то степени нишу приложений умеренной сложности удавалось закрыть коммуникационными процессорами и микроконтроллерами [1, 2]. Однако во многих сетевых приложениях, требующих комплексной обработки пакетов на высоких скоростях, всегда ощущалась необходимость в специализированных сетевых процессорах. Ведущие телекоммуникационные компании, такие как Cisco Systems или Alcatel, не жалеют усилий на создание оригинальных фирменных сетевых процессоров. Так, Cisco разработала для своей маршрутизирующей системы CRS-1 (Cisco routing system #1) кремниевый процессор пакетов SPP (silicon packet processor), содержащий на одном кристалле ASIC 188 (!) работающих параллельно процессоров, а Alcatel создала целую оригинальную архитектуру матрицы сетевых процессоров NPA (network processor array). Ведущие

Рис. 1. Блок-схема сетевых процессоров семейства Octeon Plus

Рис. 2. Маршрутизирующий коммутатор на основе СнК Octeon Plus

Микроконтроллеры и DSP

30

Пакетный сопроцессор контролирует ввод/вывод пакетов в обход основного моста ввода/вывода, обеспечивая при этом управление пакетными очередями с учетом требований качества обслуживания. Отдельный сопроцессор выделен для ускорения обработки TCP-пакетов. Сопроцессор безопасности поддерживает протоколы безопасности интернета IPsec (IP security), SSL (secure sockets layer), SRTP (secure real-time transport protocol) и беспроводных сетей, включая UMTS/RLE (universal mobile telecommunications system / long term evolution), а также прочие общепринятые в телекоммуникации протоколы шифрования: DES, 3DES, AES, SHA-x, RSA, DH, KASUMI. Сопроцессор контекстного поиска RegEx (regular expressions) имеет 32 канала обработки и дополнительный интерфейс на контроллер памяти RLDRAM2 для ускорения ассоциативного поиска и доступа к таблицам. Возможности контекстной обработки массивов дополнены отдельным сопроцессором компрессии/декомпрессии данных. В зависимости от комплекта включаемых сопроцессоров, СнК семейства Octeon Plus делятся на три категории: – процессоры сетевых сервисов (network services processors), оснащенные полным комплектом сопроцессоров; – предельные процессоры (extreme processors), лишенные сопроцессора безопасности;

www.elcp.ru

– процессоры безопасных коммуникаций (secure communications processors), не включающие в себя сопроцессоры RegEx и компрессии данных. Сетевая направленность СнК подчеркивается наличием двух пакетных интерфейсов с интегрированными MACконтроллерами, каждый из которых может конфигурироваться либо под внеш­ний интерфейс SPI 4.2 (system packet interface, release 4.2), либо под четыре интерфейса RGMII (reduced gigabit mediaindependent interface). В первом случае пользователю обеспечивается суммарная дуплексная пропускная способность 2×10 Гбит/с, а во втором — восемь портов GE (gigabit Ethernet). Впрочем, для пакетного интерфейса фирма рекомендует конфигурации портов GE и FE (Fast Ethernet) с общей пропускной способностью 2,4 Гбит/с, т.е. суммарно для двух интерфейсов 4,8 Гбит/с, что, по-видимому, и является их реальной пропускной способностью. В число прочих интерфейсов ввода/ вывода входит стандартный PCI-X со своим контроллером (64 разряда, частота до 133 МГц), типовые интерфейсы UART, I2C и служебный интерфейс JTAG (IEEE 1149.1). Интеграция на одном кристалле нескольких высокопроизводительных ядер и разнообразной специализированной аппаратуры дает сетевым процессорам Octeon Plus возможность обрабатывать на лету, включая контекстную обработку с ассоциативным доступом, и коммутировать до 30 млн IP-пакетов в секунду. В целом, пропуск-

ная и коммутирующая способность сетевых процессоров Octeon Plus примерно втрое выше, чем у предыдущего поколения Octeon. Процессорные ядра семейств Octeon и Octeon Plus реализованы на широко известной и апробированной архитектуре MIPS, что дает возможность пользователям применять стандартные доступные им компиляторы, компоновщики и прочие средства создания программ, а также портировать на Octeon Plus наработанное ранее прикладное программное обеспечение. Кроме того, компания Cavium предоставляет комплект программных средств разработки, в который входят: – средства SMP (symmetric multiprocessing) операционной среды LINUX; – фирменная простая исполнительная система управления продвижением пакетов (simple executive for data plane applications); – C-библиотеки для эффективного использования сопроцессоров безопасности, компрессии и RegEx; – программные средства поддержки протоколов IP, TCP, IPsec, SSL, VPN. На процессорах Octeon Plus могут работать популярные операционные системы других компаний, такие как Linux компании MontaVista или VxWorks компании Wind River. Благодаря своим уникальным особенностям системы на кристалле семейства Octeon Plus могут использоваться во многих областях телекоммуникации и пакетной обработки. На их основе можно в сжатые сроки разрабатывать компактные и надежные устройства: – пакетные коммутаторы и маршрутизаторы, включая коммутацию на уровнях 3 и 4 благодаря наличию сопроцессоров RegEx и TCP; – устройства сетевой безопасности, реализующие межсетевые экраны, антивирусную защиту и/или поддержку VPN (virtual private network); – сетевые дисковые серверы с компрессией данных и средствами их защиты; – мосты и шлюзы между обычными и беспроводными сетями; – устройства подключения к беспроводным сетям. На рис. 2 показан пример маршрутизирующего коммутатора на основе СнК Octeon Plus, который дополнен только внешними интегральными Ethernetкоммутаторами и трансиверами. В этом примере один пакетный интерфейс СнК обслуживает два внешних интегральных Ethernet-коммутатора, а другой — сдвоенные трансиверы GE и FE. Если, например, интегральные коммутаторы 12-портовые, то в устройстве обеспечивается 24 внешних порта FE в локальные сети, и пакетный интерфейс СнК, обслу-

Рис. 3. Блок-схема ИКМ QorIQ P4080

телями из параллельного в последовательный код и обратно SerDes (serializers/deserializers), благодаря которым получил способность поддерживать либо четыре интерфейса SGMII (serial GMII), либо один интерфейс XAUI (X gigabit attachment unit interface). В результате у пользователя СнК Octeon II четырем портам GE появилась принципиально новая альтернатива в виде порта 10 Gigabit Ethernet (10GE). Кроме того, с помощью преобразователей SerDes интерфейс PCI-X превратился в два высокоскоростных последовательных интерфейса шириной в четыре дорожки (lanes) каждый, причем также с альтернативой: либо PCI Express G2 ×4, либо RapidIO 4×. Набор прочих интерфейсов ввода/ вывода в СнК Octeon II включает: – интерфейс NOR-Flash для постоянной памяти начальной загрузки; – интерфейсы NAND-Flash и Compact Flash для встроенной и внешней массовой памяти; – по два интерфейса UART, I2C и USB 2.0, последние со встроенными трансиверами; – два дополнительных интерфейса RGMII. В целом в семействе СнК Octeon II число внешних коммуникационных интерфейсов уменьшилось по сравнению с семейством Octeon Plus, что, вероятно, оправдано ориентацией нового семейства не столько на пакетную коммутацию, сколько на интернетприложения: – устройства UTM (unified treat management) с сетевыми экранами, поддержкой VPN (IPsec, SSL), средствами обнаружения нежелательных вторжений и противодействия им, антивирусными сканерами и т.п.; – серверы данных с поддержкой массивов RAID, компрессии данных и

протокола iSCSI (Internet small computer system interface); – устройства инфраструктуры беспроводных сетей, включая WiMAX и сети 3G и 4G; – пакетную обработку на уровнях 4 и выше. Приборы семейства Octeon II выпускаются в более дешевых корпусах FCBGA-900 и рассеивают заметно меньшую мощность: 7…17 Вт. СнК Octeon II полностью программно совместимы со всеми предыдущими поколениями и используют то же программное обеспечение, что и предшественники. Сетевой процессор P4080

Формально в номенклатуре компании Freescale нет сетевых процессоров. Однако многие приборы последних поколений семейства PowerQUICC вполне подходят под эту категорию, хотя и именуются в соответствии с традицией фирмы интегрированными коммуникационными микроконтроллерами (ИКМ). Столь же традиционно к ИКМ причислены приборы нового недавно объявленного семейства QorIQ. Младшие линейки нового семейства P1 и P2 действительно близки к ИКМ PowerQUICC III по структуре, производительности и пропускной способности, но старшая, P4, пока представленная единственным прибором P4080, не только преодолевает рубеж пропускной способности в 10 Гбит/с, но и демонстрирует принципиально новые подходы к архитектуре интегрированных сетевых процессоров. Блок-схема ИКМ QorIQ P4080 приведена на рис. 3. Блок процессоров включает восемь процессоров с ядром e500 архитектуры PowerPC, заимствованным из ИКМ PowerQUICC III, но выполненным по технологии 45 нм и дополненным

электронные компоненты  №7 2009

31 Микроконтроллеры и DSP

живающий коммутаторы, будет использован на пределе своей пропускной способности 2,4 Гбит/с. У второго пакетного интерфейса, обслуживающего два внешних порта GE в глобальную сеть, остается некоторый резерв пропускной способности, который может быть использован, в частности, для реализации служебных портов FE. Приборы семейства Octeon Plus выпускаются в корпусах FCBGA-1521 и рассеивают в зависимости от комплектации и рабочей частоты мощность 15…40 Вт. Следует отметить, что СнК компании Cavium весьма недешевы и не общедоступны. Например, оптовая цена процессора сетевых сервисов CN5850 семейства Octeon Plus с 12 ядрами и рабочей частотой 1000 МГц превышает 3800 долл. Приобрести такой прибор — тоже задача не из простых. А чтобы получить полную техническую информацию и программные средства, необходимые для разработки устройств на базе таких СнК, надо заключать специальное соглашение с компанией Cavium. Тем не менее на рынке средств телекоммуникации и пакетной коммутации уже имеются изделия, содержащие в себе СнК семейств Octeon и Octeon Plus, хотя их, может быть в силу отмеченных выше причин, не так много. К ним относятся, например, ATCA-карты компании ASUSTek и сетевые устройства NCP 3108 и NCP 5120 компании Advantech. Недавно Cavium анонсировала следующее поколение СнК Octeon II, позиционируемое как процессоры интернет-приложений. Новое семейство включает три базовых модели с 2, 4 и 6 процессорами той же архитектуры MIPS64, но с предельной рабочей частотой, повышенной до 1,5 ГГц. Система памяти также в целом сохранила свою архитектуру, однако в качестве как основной, так и вспомогательной памяти в новом семействе используется DDR3 SDRAM, соответственно 72и 16-разрядная, с рабочей частотой 800 МГц (1,6 Гбит/с на разряд). В новом поколении СнК у сопроцессора безопасности расширен спектр реализованных алгоритмов, в частности добавлено шифрование SNOW 3G. Существенно улучшен сопроцессор контекстного поиска введением поисковых машин на основе гиперконечных автоматов (hyper-finite automata). Добавлены дополнительные сопроцессоры для управления массивами RAID (redundant array of independent disks) и исключения дублированных записей в таблицах (de-dupe). Наиболее яркие новшества появились в области ввода/вывода. В новых СнК предусмотрен только один пакетный интерфейс, но он оснащен высокоскоростными преобразова-

Микроконтроллеры и DSP

32

средствами гипервизора. Каждый процессор имеет собственные кэши первого (32K + 32K) и второго (128K) уровней. Аналогично сетевым процессорам Cavium память и периферия подключается к блоку процессоров через высокоскоростную иерархическую когерентную коммутационную структуру (« » на рис. 3) с 36-разрядным адресом и суммарной пропускной способностью 800 Гбит/с. Два контроллера 64-/72-разрядных DDR3 SDRAM подключаются через соотнесенные им конфигурируемые кэши третьего уровня объемом по 1 Мбайт каждый. Блок сопроцессоров объединяет сопроцессоры безопасности и контекстного поиска RegEx, а также диспетчеры очередей и буферов. Каждый из двух одинаковых диспетчеров кадров содержит обработчик кадров Ethernet, комплект буферов, по четыре MAC-контроллера GE и одному MAC-контроллеру 10GE. Максимальная пропускная способность диспетчера кадров на телекоммуникационных портах равна 12 Гбит/с, т.е. одновременно с портом 10GE можно использовать не более двух портов GE. Обработчик кадров способен принимать решения по классификации и распределению по очередям входящих Ethernet-кадров с пропускной способностью до 18 млн кадров в секунду. Важный элемент структуры P4080 — непосредственные связи диспетчеров кадров с блоком сопроцессоров, реализующие фирменную архитектуру ускорения трактов данных DPAA (data paths acceleration architecture). В этой архитектуре потоки данных подвергаются параллельной обработке не только благодаря распределению задач между несколькими процессорами, но и за счет конвейера, образуемого непосредственно в трактах данных, включающих диспетчеры пакетов и сопроцессоры. Диспетчер очередей — ключевой элемент архитектуры DPAA, в основном реализующий интерфейсы между аппаратурой и программным обеспечением. Он способен организовывать и поддерживать на двух уровнях иерархии по нескольку каналов к каждому внутреннему абоненту с восемью рабочими очередями в каждом канале и несколькими очередями кадров в каждой рабочей очереди. Диспетчер буферов по указаниям программного обеспечения способен управлять буферами и пулами буферов в процессе их использования как аппаратурой (диспетчерами кадров или сопроцессорами), так и программами. Диспетчер способен поддерживать до 64 пулов буферов, назначая и освобождая их по стековой дисциплине LIFO (last in first out).

www.elcp.ru

Сопроцессор безопасности включает пять параллельных каналов обработки, которые способны выполнять функции традиционных аппаратных ускорителей шифрования и дешифрования по алгоритмам DES, AES, ARC, Kasumi, SNOW 3G, MDE и PKE, а также генерировать случайные числа и коды CRC. Кроме того, помимо шифрования и дешифрования данных по всем широко используемым в современной телекоммуникации криптоалгоритмам сопроцессор способен самостоятельно обрабатывать заголовки и концевики для наиболее распространенных протоколов безопасности: IPsec, SSL/TLS, SRTP, IEEE 802.1AE MACSec, IEEE 802.16e WiMAX MAC и 3GPP RLC. Сопроцессор RegEx может автономно сканировать потоки данных с целью выявления в них тех или иных заданных контекстов. Число заданных контекстов длиной до 128 байтов может доходить до 64 тыс., а число правил поиска — до 32 тыс. Пропускная способность сопроцессора примерно равна 10 Гбит/с. Благодаря DPAA вне блока процессоров может выполняться ряд типичных операций по обработке пакетов: – разбор пакетов, их классификация и распределение по очередям; – управление очередями и предотвращение заторов; – выделение буферов и управление ими; – шифрование и дешифрование данных; – контекстный поиск и автоматическая подмена контекстов. Помимо коммуникационных интерфейсов Ethernet ИКМ P4080 включает блок высокоскоростных последовательных интерфейсов: – три интерфейса PCI Express G2 ×1/×2/×4/×8 со скоростью передачи данных на дорожке до 5 Гбод/с (суммарная скорость до 32 Гбит/с в тракте ×8); – два интерфейса SRIO (serial RapidIO) 1×/4× с блоком поддержки сообщений MU (message unit) и скоростью передачи данных на дорожке до 3,125 Гбод (суммарно до 10 Гбит/с в тракте 4×). Назначение интерфейса PCI Express очевидно: он предоставляет возможность подключения к ИКМ стандартной высокоскоростной периферии, например видеоконтроллеров, дисков или целой подсистемы WiFi. Интерфейс SRIO не только позволяет подключать различные АЦП и ЦАП, что важно в устройствах инфраструктуры беспроводных сетей, но и открывает широкие возможности объединения многих ИКМ в серхлокальную сеть и эффективного взаимодействия между ними на разных уровнях [3]. Список прочих интерфейсов ввода/ вывода включает локальную 16-разрядную шину для подключения параллель-

ных памятей Flash (NOR и/или NAND) начальной загрузки и EEPROM конфигурационных параметров, а также ряд последовательных интерфейсов: – два интерфейса USB со скоростями передачи данных до high speed и интерфейсом ULPI (universal low-pin interface) к трансиверу; – интерфейс карт памяти SD/MMC; – периферийный интерфейс SPI; – четыре интерфейса I2C; – четыре интерфейса UART. Прибор выпускается в 1295-выводном корпусе FC PBGA и на частоте 1,5 ГГц рассеивает около 30 Вт. Области применения ИКМ P4080 принципиально не отличаются от областей применения СнК Octeon. Самые типичные приложения: – маршрутизаторы сервисов VPN/ IP; – устройства сетевой защиты для коммутаторов и сетевых серверов; – контроллеры узлов инфраструктур беспроводных сетей; – компоненты высокопроизводительных мультисистем. Использование ядер e500 с широко распространенной высокопроизводительной RISC-архитектурой PowerPC дает то очевидное преимущество, что аппаратура на базе ИКМ P4080 может использовать существующие средства разработки программ для процессоров архитектуры PowerPC и заимствовать собственно программное обеспечение, наработанное ранее, например для ИКМ нескольких семейств PowerQUICC. Компания Freescale рекомендует для ИКМ P4080 как собственные, так и сторонние инструментальные наборы. В частности, имеется полностью адаптированный для эффективного использования на P4080 набор программных средств под ОС Linux, рассчитанный как на симметричную, так и асимметричную многопроцессорность. В ближайшее время ожидается адаптация к P4080 некоторых операционных систем реального времени третьих фирм, уже с успехом работающих на двухпроцессорных ИКМ компании Freescale. Для отладки программного обеспечения на P4080 Freescale поставляет специальные средства загрузки и отладки, которые планируется включить в фирменную универсальную интегрированную среду разработки и отладки CodeWarrior. ПОСЛЕСЛОВИЕ

Рассмотренные сетевые устройства — Octeon Plus, Octeon II и P4080 — отличает, как и большинство их предшественников, многопроцессорность. Действительно, сетевые процессоры прошлых поколений, в частности IXP2855 и C-port, тоже были принципи-

зуя легко конфигурируемые внутренние конвейеры. Соответственно принятой организации разные процессоры или группы процессоров могут работать под управлением одной и той же операционной системы или в совершенно разных операционных средах. Хотя и Octeon, и P4080 могут работать под управлением имеющихся операционных систем, в первую очередь Linux, пользователю следует быть готовым к тому, что предполагаемое их применение в жестком реальном времени и весьма специфических приложениях может толкнуть его на путь создания своего, пусть самого простого, диспетчера задач (исполнительной системы) реального времени. Ведущие компании в области пакетной коммутации, такие как Cisco или Alcatel, используют не только оригинальное оборудование, также широко эксплуатирующее многоядерность, но и собственные операционные среды для достижения максимальной эффективности своего оборудования. Конечно, создание таких оригинальных диспетчеров, работающих в тесном контакте со встроенными гипервизорами или даже подменяющих их, — задача не из самых простых, но все же она и проще, и благороднее унылого микропрограммирования многочисленных нестандартных процессоров с трудно предсказуемым результатом. Автору известны успешные решения на этом пути даже

для небольших программистских коллективов, и он призывает отечественных разработчиков активнее использовать современные ИКМ и интегрированные сетевые процессоры, поскольку в российских условиях это, вероятно, единственный реальный путь разрабатывать более-менее отвечающую современным требованиям и конкурентоспособную серийную сетевую аппаратуру.

Литература 1. «Электронные компоненты», 2007, №7, с. 56—98 2. Егоров В. Интегрированные комму­ ни­кационные микроконтроллеры Free­ scale Semiconductor: из прошлого в бу­ду­ щее//«Элек­тронные компоненты», 2008, №7, 31—41. 3. Егоров В. Последовательный интер­ фейс RapidIO и его применение в пакетной коммутации//«Электронные компоненты», 2008, №12, с. 69—76. 4. OCTEON Plus CN58XX Multi-Core MIPS64 Processors//w w w.caviumnet work s.com/ OCTEON-Plus_CN58XX_solutions.html. 5. OCTEON™ II CN63XX Multi-Core MIPS64 Internet Application Processors//www.cavium­ networks.com/OCTEON-II_CN63XX_solutions. html. 6. QorIQ™ P4080 Communications Pro­ cessor//www.freescale.com/webapp/sps/site/ prod_summary.jsp?code=P4080&nodeId=0162 468rH3bTdG25E4.

33 Микроконтроллеры и DSP

ально многопроцессорными. Но все же это было нечто совсем другое. В IXP2855 матрицу из 16 специализированных процессорных блоков пользователь должен был кропотливо микропрограммировать, чтобы заставить каждый ее компонент с пользой работать в ансамбле, а затем написать рабочие программы нижнего уровня, т.е. практически уровня операционной системы, для управляющего ядра XScale, которые организовали бы работу всего устройства. В сетевом процессоре C port ситуация была лишь немногим лучше, поскольку многочисленные специализированные канальные процессоры и сопроцессоры тоже нужно было программировать, но хотя бы не на уровне микрокода, а на языке С. Многопроцессорность в семействах Octeon и P4080 другого свойства. Она базируется на широко распространившейся в последнее время и хорошо обкатанной идеологии мнгоядерных процессоров, массово применяемой в процессорных чипах универсальных компьютеров компаниями Intel и AMD. Эта система предельно гибка в том смысле, что имеющиеся ресурсы, в т.ч. и встроенные процессоры, можно использовать любым образом: распараллеливая работы при симметричной многопроцессорности, жестко распределяя задачи между процессорами на асимметричных принципах или органи-

электронные компоненты  №7 2009

ПРОЦЕССОРЫ ВВОДА/ВЫВОДА ДЛЯ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ Виктор Охрименко, начальник отдела, Государственный научно-исследовательский центр прикладной информатики В статье приведена сравнительная оценка процессоров ввода/вывода, ориентированных, в первую очередь, на применение в высокоэффективных RAIDконтроллерах, используемых в системах хранения данных разного назначения. Рассматриваемые в статье процессоры ввода/вывода PPC440/460 (AMCC), IOP8134x (Intel), PM8010/8002/8001 (PMC-Sierra) — высокопроизводительные специализированные процессоры с широким набором периферийных интерфейсов (PCI-X/PCI Express, SAS/SATA, Ethernet и др.). Кроме того, эти процессоры содержат аппаратные акселераторы, позволяющие существенно ускорить вычисления алгоритмов кодирования и восстановления данных.

Системы хранения данных

Традиционная технология хранения данных DAS (Direct Attached Storage) с подключением дискового массива непосредственно к каждому серверу далеко не всегда отвечает современным требованиям управления бизнесом. В

настоящее время все большее распространение и популярность приобретают другие архитектуры — это SAN (Storage Area Network — сеть хранения данных) и NAS (Network Attached Storage — сетевые устройства хранения). Как правило, в SAN-системах используются оптоволоконные каналы связи (FC), а NAS-устройства снабжены высокоскоростными портами Ethernet (1/10 Гбит/с). При реализации сетей хранения данных наряду с оптоволоконной технологией (FC) в последнее время все чаще используется интерфейс iSCSI (Internet Small Computer System Interface). Применение этого интерфейса позволяет использовать сравнительно недорогую по сравнению с FC и уже существующую инфраструктуру сетей Gigabit Ethernet, а это, в свою очередь, дает возможность существенно уменьшить стоимость необходимого оборудования. При использовании как SAN-, так и NAS-архитектур в качестве устройств хранения в этих системах, как правило, применяются накопители на жестких дисках (винчестеры), которые, не секрет, являются самыми ненадежными звеньями систем хранения данных, вследствие наличия в них механических движущихся частей. И хотя среднее время наработки до отказа (MTBF — Mean Time Between Failures), к примеру, накопителей с интерфейсом SAS (Serial Attached SCSI) или SCSI (Small Computer System Interface) находится в диапазоне 1,2...1,5 млн. часов, вопрос заключается скорее не в том, откажет ли дисковый накопитель, а в том, когда именно это может произойти. Компьютерные системы хранения данных должны обеспечивать сохранность данных при минимальном времени их восстановления в случае сбоев в работе или отказе дисковых накопителей. Наиболее оптимальным подходом при решении проблемы сохранности данных служит технология RAID (Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дис-

ков). В настоящее время во всех системах хранения данных, в том числе и корпоративных, используется именно эта технология. По сути, дисковый массив — это несколько физических накопителей, объединенных в один логический диск с использованием специальных алгоритмов кодирования данных и распределения информации по всем дискам массива. При этом неважно, какие именно диски используются для создания массива: с интерфейсом SCSI, EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics), SATA (Serial ATA) или SAS. Идея, положенная в основу всех RAID-алгоритмов, заключается в разделении входного потока на блоки данных (D0…DN) для их последующей записи на отдельные физические диски (накопители). При считывании происходит обратный процесс. Помимо RAID0/1/2/3/4/5/6/7/10, существуют и другие RAID-алгоритмы. Большинство из них достаточно просто реализуются на программном уровне и не требуют специфических сложных вычислений. Между собой они различаются производительностью, стоимостью необходимого оборудования и надежностью. Наибольший интерес представляют RAID5 и RAID6. Последний является самым сложным, а его использование позволяет восстанавливать данные даже при одновременном отказе двух дисковых накопителей в массиве. Упрощенно принцип работы алгоритма RAID5 заключается в следующем: входной поток данных распределяется на N-1 блоков (где, N — число используемых накопителей), а содержимое блока N является контрольным (далее этот блок обозначается как P) и используется в дальнейшем для восстановления информации в случае отказа одного из накопителей. В процессе записи блоки данных D1…DN-1 и P распределяются по всем дискам массива, другими словами, нет отдельно выделенного диска с контрольной информацией. Блок данных P — это ни что иное, как результат пораз-

электронные компоненты  №7 2009

35 Микроконтроллеры и DSP

Одним из результатов внедрения информационных технологий является безудержный рост объема цифровой информации. В 2008 г. по заказу американской корпорации EMC Corporation (крупнейшего в мире поставщика систем хранения данных) другая, не менее известная американская маркетинговая компания IDC (International Data Corporation), специализирующаяся на исследованиях в сфере информационных технологий, провела анализ создаваемой IT-индустрией цифровой информации. По оценкам экспертов компании IDC, в 2007 г. общий объем цифровых данных составил примерно 280 млрд. Гбайт, а в 2011 г. по прогнозу аналитиков этой же компании объем создаваемой вновь и копируемой цифровой информации увеличится в десять раз по сравнению с 2006 г. [1] В корпоративном бизнесе хранимая в электронном виде информация приобретает ключевую роль для обеспечения непрерывности бизнес-процессов и поддержания конкурентоспособности компании. Это, в свою очередь, накладывает жесткие требования на системы хранения корпоративных данных, которые должны обеспечивать не только высокую скорость доступа к информации, отличаться высокой надежностью, но и, кроме того, должны гарантировать восстановление данных в случае отказа оборудования. Чтобы по достоинству оценить возможности рассматриваемых процессоров ввода/ вывода, следует вкратце ознакомиться с архитектурой систем хранения данных и параметрами современных компьютерных интерфейсов [2-13].

а)

б)

Рис. 1. Принцип работы алгоритма RAID5 (а) и RAID6 (б)

Микроконтроллеры и DSP

36

рядного выполнения логической операции XOR с блоками данных D1…DN-1, т.е. P = XOR(D1, D2, D3, DN-1). Для восстановления «потерянных» данных в случае «утраты» одного из блоков используются простые соотношения, например, D1 = XOR(P, D2, D3, DN-1) или D2 = XOR(P, D1, D3, DN-1) и т.п. Таким образом, все накопители в массиве являются равноценными, подверженными одинаковому износу, и, в случае сбоя одного из секторов на диске или полного отказа диска, информация восстанавливается без потерь. Такая простая логическая операции как XOR, позволяет не только сравнительно просто восстанавливать «утерянные» данные, ее также полезно использовать при поиске заданной информации на диске, поскольку результатом выполнения поразрядной операции XOR с двумя одинаковыми блоками данных будет нуль. Алгоритм RAID6 — модифицированный RAID5. Принцип работы алгоритмов RAID5/6 наглядно иллюстрирует рис. 1. При использовании алгоритма RAID6 одновременный отказ даже двух накопителей не приводит к потере данных. В отличие от RAID5, в алгоритме RAID6 контрольная информация содержится уже в двух дополнительных блоках (P и Q). Содержимое контрольного блока P вычисляются аналогично тому, как это производится в алгоритме RAID5, а при генерации блока Q применяется технология избыточного кодирования с использованием концепции конечных полей Галуа (GF — Galois Field). Как правило, используются поля GF(28), т.е. содержащие 256 элементов. Код РидаСоломона, основанный на полиномиальном представлении байтов сообщения с использованием теории математических операций в конечных полях Галуа, позволяет трактовать сообщение как коэффициенты полинома, являющиеся элементами поля GF(28), а для генерации элементов поля используются так называемые порождающие полиномы. Код

Рис. 2. Структура канала связи шины PCI-E

www.elcp.ru

Рида-Соломона — это исходное сообщение, с присоединенным к нему хэшем, вычисленным по определенным правилам по коду сообщения. Этот хэш, по сути, — контрольные данные Q, использование которых позволяет восстановить сообщение при его искажении. В полиномиальном трактовке код РидаСоломона представляет собой коэффициенты некоторого результирующего полинома F(x), вычисляемого как сумма сдвинутого на r позиций влево информационного полинома D(x) и полинома остатка R(x), получаемого при делении D(x) на порождающий полином g(x) [2]. Такой вид кодирования называется систематическим, поскольку «информационные коэффициенты» можно просто отделить от коэффициентов остатка без какого-либо специального декодирования. В результате в технологии RAID6 для одних и тех же входных данных с помощью двух независимых алгоритмов вычисляются два набора контрольных данных Р и Q, что позволяет восстанавливать информацию даже в случае отказа двух дисковых накопителей в массиве. В процессе записи блоки Р и Q распределяются по всем накопителям так же, как в случае RAID5. Интерфейс pci express

PCI Express (далее PCI-E) — компьютерная шина, использующая программную модель шины PCI/PCI-X и высокопроизводительный протокол физического уровня, основанный на передаче данных в последовательном формате. В отличие от шины PCI, которая является параллельной 32- или 64-разрядной общей шиной, PCI-E поддерживает радиальную топологию типа «звезда», при этом устройства в простейшем случае связаны между собой двунаправленным соединением типа «точка-точка», которое называется lane. Канал, связывающий устройства с коммутатором (switch) PCI-E называется link, и он может состоять из нескольких дуплексных последовательных линий связи (lane). В спецификации на шину PCI Express регламентируется, что канал может содержать 1, 2, 4, 8, 16 или 32 дуплексных линий связи, при этом все устройства должны поддерживать работу с каналом, состоящим из элементарной двунаправленной линии связи. Ширину каналу обычно принято

обозначать как x1, x2, x4, x8, x16 или x32. Для передачи данных используется дифференциальный низкоуровневый сигнал. При топологии «звезда» каждое устройство монопольно использует возможности канала, связывающего его с коммутатором PCI-E. Благодаря этому, последовательный интерфейс PCI-E, пришедший на смену параллельной шине PCI, позволил увеличить пропускную способность шины. Кроме того, необходимо учитывать, что протокол PCI-E поддерживает обмен данными в дуплексном режиме, что резко контрастирует с архитектурой PCI-шины, в которой в каждом временном интервале возможна только однонаправленная передача данных. Пиковая производительность интерфейса PCI-X 2.0 DDR при тактовой частоте 133 МГц и разрядности шины 64 бита составляет чуть более 2 Гбайт/с. Как и в большинстве других высокоскоростных последовательных протоколах (например, в том же SAS), в PCI-E используется алгоритм перекодирования данных 8b/10b (8 бит в 10 бит), что позволяет улучшить процесс тактовой синхронизации. Пиковая скорость передачи данных однонаправленной линии составляет 2,5 Гбит/с (стандарт PCI-E v.1.0), а с учетом перекодирования 8b/10b — 250 Мбайт/с. Средняя же производительность каждой полудуплексной линии связи шины (PCI-E v.1.0) оценивается примерно на уровне 200 Мбайт/с. Если используется канал, состоящий из восьми lane (х8), средняя пропускная способность в каждом направлении составляет уже 1,6 Гбайт/с. В спецификации стандарта PCI-E v.2.0 скорость передачи данных увеличена вдвое и составляет уже 5,0 Гбит/с для однонаправленной линии связи, что соответствует средней пропускной способности в полудуплексном режиме 3,2 Гбайт/с. Программная модель PCI-E во многом совместима с существующей моделью для PCI-шины, что позволяет сравнительно просто и без существенных затрат модифицировать уже имеющееся программное обеспечение. Структура реализованного в шине PCI-E канала связи приведена на рис. 2. Следует отметить, что в интерфейсе PCI-E предусмотрена возможность «горячей замены» подключаемых устройств (т.е. замены без отключения напряжения питания), что весьма важно, например, в случае вынужденной замены контроллера ввода/вывода (RAID-контроллера) в сервере. Интерфейс sas/sata

Интерфейс SAS разработан для замены параллельного интерфейса SCSI и позволяет достичь более высокой скорости передачи данных, по сравнению с интерфейсом SCSI. В отличие

Кэш-память

Все данные, которые должны быть записаны в дисковый массив, вначале пересылаются в промежуточную буферную память (кэш-память) контроллера ввода/вывода. Затем на основе записываемых данных и параметров RAIDалгоритма вычисляются контроль-

Рис. 3. Отличительные особенности SAS- и SCSI-интерфейсов

Рис. 4. Структура контроллера ввода/вывода данных

ные значения (например, в алгоритме RAID6 — это P+Q). После этого блоки данных и контрольные значения (P+Q) записываются на дорожку накопителя под управлением соответствующего алгоритма. Таким образом, для реализации любого из RAID-алгоритмов для временного хранения данных необходимо иметь высокоскоростную буферную память большого объема, в качестве которой может быть использована память типа DDR2 SDRAM с частотой тактирования 266/333/400 МГц. В случае сбоев в работе источника питания данные, которые находятся в кэш-памяти и еще не были сохранены в дисковом массиве, не должны быть «потеряны». Для того, чтобы избежать этого, используется батарея резервного питания, поддерживающая в заданном диапазоне напряжение на микросхемах памяти (как правило, в течение примерно 72 часов). Обычно для этих целей применяются ионно-литиевые (Li-Ion) аккумуляторные батареи. Для сохранности данных в динамической памяти, которая используется в качестве кэш-памяти, необходимо с заданной периодичностью повторять циклы регенерации. Чтобы это происходило и при пропадании напряжения питания необходимо переключить динамическую память в режим работы Self-Refresh и подключить батарею резервного питания. Как правило, на процессор ввода/вывода возлагаются функции анализа аварийных сигналов и генерации последовательности операций, которые позволяют сохра-

нить данные в кэш-памяти. В интерфейсах PCI/PCI-X/PCI-E реализован механизм формирования аварийных сигналов при сбоях источника питания, поэтому эта задача во многом упрощается. На рис. 4 приведен пример структуры контроллера ввода/вывода. В данном случае контроллер представляет собой самостоятельную RAID-подсистему (со своим BIOS), причем для реализации операций с RAID-массивом не требуется использования ресурсов центрального (хост) процессора, а для хост процессора RAID-контроллер представляется как виртуальное устройство, которое распределяет операции чтения/записи данных между накопителями массива. Процессоры ppc440/460 (powerpc)

Выпускаемые американской компанией AMCC (Applied Micro Circuits Corporation) процессоры серии PowerPC — PPC440SP/440SPe/460GT/ 460EX, а также новые процессоры PPC460SX/GTx (серийный выпуск которых планируется в третьем квартале 2009 г.), базируются на мощной 32-разрядной ARM-архитектуре, имеют широкий набор встроенных аппаратных ускорителей и большое число периферийных контроллеров, поддерживающих стандартные внешние интерфейсы (PCI-E, PCI-X, Ethernet, DDR2 SDRAM, SATA, USB и т.д.). Самый производительный в семействе — процессор PPC460SX, обладающий наибольшими возможностями по сравнению

электронные компоненты  №7 2009

37 Микроконтроллеры и DSP

от SCSI- в SAS-интерфейсе поддерживается полнодуплексный обмен данными по последовательному каналу. Отличительные особенности систем хранения данных, построенных на базе SCSI- и SAS-интерфейса, наглядно иллюстрирует рис. 3. Для передачи данных в интерфейсе SAS используется дифференциальный низкоуровневый сигнал. Пропускная способность SAS-интерфейса 1,5/3,0/ 6,0 Гбит/с (что соответствует 150, 300 или 600 Мбайт/с) в каждом направлении. Для сравнения, максимальная скорость передачи данных обеспечиваемая параллельным интерфейсом SCSI Ultra320 составляет 320 Мбайт/с. Полнодуплексное соединение типа «точка-точка» обеспечивает возможность одновременной работы нескольких устройств в дисковом массиве. В настоящее время интерфейс SAS используется для обмена данными с высокоскоростными (10—15 тыс. оборотов/ мин) накопителями на жестких дисках, которые, как правило, применяются в корпоративных (enterprise) системах хранения данных. Сочетание надежности и функциональных возможностей, присущих SCSI, с высокой пропускной способностью, обеспечиваемой последовательным интерфейсом, делают SAS-интерфейс оптимальным при создании устройств, максимально удовлетворяющих требования, предъявляемые к современным серверам и системам хранения данных любого уровня сложности. Кроме того, SAS совместим с интерфейсом SATA, который пришел на замену доминировавшему прежде на рынке параллельному интерфейсу ATA (Advanced Technology Attachment). Как правило, SATA-приводы имеют скорость вращения шпинделя не более 7200 оборотов/мин и применяются в недорогих устройствах хранения данных большого объема. Следует отметить, что и SAS- и SATA-интерфейс поддерживают возможность «горячей замены» устройств.

ной периферийной шине) подключены менее скоростные контроллеры (UART, I2C), а также контроллер внешней периферийной шины EPB (External Peripheral Bus), предназначенной для обмена данными с внешней асинхронной памятью типа SRAM, ROM, NOR- или NAND-флэш (PPC460SX). Процессор PPC460SX содержит три порта PCI-E, поддерживающих стандарт PCI Express v.2.0. Один порт имеет восемь lane (x8), кроме того, он может быть сконфигурирован как (х4 или х1), два других — по четыре lane (х4), которые могут быть конфигурированы как один х8. Пропускная способность lane в каждом направлении 5,0 Гбит/с, что обеспечивает скорость передачи данных до 3,2 Гбайт/с (в полудуплексном режиме по шине х8). Контроллер SDRAM-памяти поддерживает обмен данными с памятью типа DDR2-800 (PPC460SX), что при

с другими процессорами семейства PowerPC (AMCC). Структура процессора PPC460SX приведена рис. 5, основные параметры процессоров PPC440/460 даны в таблице 1. Встроенные процессорные PLBшины — две основные локальные (Primary Processor Local Bus) и две вспомогательные (Secondary Processor Local Bus), имеющие разрядность 128 бит и частоту тактирования 200 МГц, обеспечивают суммарную пропускную способность 19,2 Гбайт/с (PPC460SX). Архитектура этой шины спроектирована таким образом, что при передаче данных имеется возможность обеспечить или малое время задержки (как правило, эта возможность используется при обмене небольшими пакетами данных) или высокую пропускную способность, что обычно используется при передаче больших пакетов. К шине OPB (On-Chip Peripheral Bus — встроен-

разрядности шины 64 бита, позволяет достичь пиковой производительности 6,4 Гбайт/с. Контроллер обеспечивает работу со стандартными буферизированными и небуферизированными модулями памяти типа DIMM (Dual In-Line Memory Module), а также возможность подключения микросхем памяти с 64или 32-разрядным интерфейсом. Важной отличительной особенностью процессоров серии PPC460 является встроенный акселератор, способствующий ускорению выполнения алгоритмов, которые используются при шифровании/дешифровании информации. Для увеличения скорости обмена данными между процессорным ядром, памятью и акселератором, он подключен непосредственно к скоростной процессорной шине PLB. Акселератор поддерживает выполнение стандартных алгоритмов, используемых при криптографической обработке данных

Таблица 1. Основные параметры процессоров PPC440/460 Наименование

Микроконтроллеры и DSP

38

Тактовая частота процессорного ядра, МГц L1 команд/данных Кэш-память, Кбайт L2 кэш или SRAM Встроенная SRAM-память, Кбайт Разрядность, бит Процессорная шина (PLB) Такт. частота, МГц DDR1-266/333/400 SDRAM-память, DDR2-400/533/667 Гбайт DDR2-800 PCI-E v.1.0 (2,5 Гбит/с) x 8 (End Point/Root x4 Complex) x1 PCI-E v.2.0 (5,0 Гбит/c) PCI v.2.2 (32 бит, 33/66 МГц) Разрядность шины PCI0 Host PCI-X v.2.0 DDR PCI1 Local (133 МГц), бит PCI2 Local Ускоритель RAID5/6 (по заказу) Криптографический акселератор (по заказу) Поддержка DSP-приложений (24 DSP-инструкции) Внешняя перифер. Шина адреса, бит шина (External Шина данных, бит Peripheral Bus – EPB) Такт. частота, МГц Контроллер внешней асинхронной памяти 10/100/1000 Ethernet MAC SATA (1,5/3,0 Гбит/с) SRIO UART SPI Контроллер I2C GPIO USB 2.0 JTAG

PPC440SPe 533/667/800

PPC440SP 533/667

Нет 166 16

4

4/16

www.elcp.ru

PPC460GTx PPC460SX 800-1400 512 32 200 Поддерживается

Нет 1 2 —

4 Нет

Нет

1 1

1 1

Нет Поддерживается 64 (host/adapter) нет нет + нет 27 16

Поддерживается x4 (2) или x8 (1)

x8 (1); x4 (2)

1 64 64 32

24 8 83 ROM, EPROM, SRAM, NOR 1 Нет Нет 3 Нет 32 Нет

3,3 (PCI, Ethernet)/ 2,5;1,8 (SDRAM)/1,5 (ядро) Потребляемая мощность, Вт (МГц) 14 (533) 6 (533) Температура корпуса, °C 0…95 –40…100 Технология, нм 130 Тип корпуса (размеры, мм; шаг выводов, мм) 675-FC-PBGA (27×27; 1,0) 783-FC-PBGA (29×29; 1,0) Напряжение питания, В

Тип процессора PPC460EX PPC460GT 600-1200 32/32 256 64 128 200

Нет

Нет

Нет + DES, 3DES, AES, ARC-4, MD-5, SHA-1, SHA-256/384/512 + 27 29 32 32 100 ROM, SRAM, NAND ROM, EPROM, SRAM, NOR, NAND 2 4 4 1 Нет 1 нет 4 2 1 нет 2 64 32 Host, OTG Нет нет + 3,3 (PCI)/2,5 (Ethernet, DDR1)/ 3,3 (периферия)/2,5 (Ethernet)/ 1,8 (DDR2)/1,25 (ядро) 1,8 (DDR2)/1,225 (ядро) 6 (1000) 6—10 (1000) 10 (1000) –40…85 0…95 0…90 90 728-TE-EPBGA (35×35; 1,0) 783 FC-PBGA (29×29; 1,0)

в сетевых протоколах и устройствах хранения. К их числу относятся алгоритмы кодирования/декодирования данных DES, 3DES, AES, ARC-4, XTS-AES, LRW-AES, MD-5, SHA-1, SHA-2 (SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512). Встроенный акселератор XOR/DMA (PPC440SP/440SPe/460SX) призван ускорить процесс выполнения алгоритмов RAID5/6. Для генерации контрольных данных (RAID6) предусмотрена возможность использования нескольких порождающих полиномов, в т.ч. x8 + x4 + x3 + x2 + 1 (0x11D) и x8 + x6 + x3 + + x2 + 1 (0x14D). В процессорах PPC440/460 реализована технология интеллектуального ввода/ вывода (Intelligent Input/Output — I2O). Использование технологии I2O дает возможность «освободить» процессорное ядро от выполнения «рутинных» операций ввода/вывода при обмене данными с хост-процессором через интерфейс PCI или PCI-E . Чтобы обмен данными между PCI-хостом, памятью и процессорным ядром выполнялся быстрее и эффективнее, в процессоре реализован модуль I2O/DMA. Предусмотрено несколько режимов работы модуля, а обмен данными выполняется с использованием буферов FIFO. Благодаря наличию аппаратных RAID-ускорителей, скоростных портов Ethernet и SATA-контроллера, а также — встроенного криптографического акселератора, процессоры семейства PPC440/460, прежде всего, предназначены, для использования в RAID-контроллерах систем хранения данных разного класса. Другие возможные области их применения — бортовые навигационные системы, различные системы управления/контроля технологическими процессами, измерительные комплексы и т. д.

Процессоры IOP81342/348 имеют два процессорных ядра XScale с тактовой частотой до 1,2 ГГц. Встроенные «северная» и «южная» 128-разрядные шины с частотой тактирования до 400 МГц (при тактовой частоте ядра 1200 МГц) обеспечивают обмен данными между двумя процессорными ядрами, а также между контроллерами DMA и SDRAM. Пиковая пропускная способность порта PCI-X (64 разряда, 133 МГц) составляет чуть более 1 Гбайт/с, а порт PCI-E (х8) может обеспечить среднюю скорость передачи данных до 1,6 Гбайт/с. Поддержка RAID-технологии, а также наличие скоростных PCI- и SAS/SATA-интерфейсов позволяют как разрабатывать на базе этих процессоров RAID-контроллеры, включаемые непосредственно в серверные платформы, так и использовать их при создании внешних контроллеров в системах хранения данных разного назначения. Структурная схема процессора IOP81348 приведена рис. 6. Процессор IOP81348 содержит два процессорных ядра. Многопортовый контроллер SDRAM-памяти типа DDR2-400/ DDR2-533 обеспечивает обмен данными с максимальной скоростью 4,2 Гбайт/с. Предусмотрена возможность подключения стандартных буферизированных и небуферизированных модулей памяти типа DIMM объемом до 4 Гбайт. Для поддержания высокоскоростного обмена данными с памятью типа SDRAM используется контроллер прямого доступа к памяти (DMA), получивший название DMA прикладных задач. Этот контроллер прямого доступа обеспечивает управление процессом передачи данных по трем независимым каналам. Его отличительная особенность — аппаратная поддержка вы­пол­ нения операций, предусмотренных в алгоритмах RAID5 и RAID6. В контролле-

Процессоры iop8134x (intel xscale)

Рис. 5. Структура процессора PPC460SX

39 Микроконтроллеры и DSP

Корпорация Intel в 2006 г. начала производство процессоров ввода/ вывода семейства Intel IOP8134x (IOP81341/342/348), предназначенных для использования в RAIDконтроллерах систем хранения данных разного назначения. Основные параметры процессоров IOP8134x приведены в таблице 2. Все микросхемы этого семейства совместимы между собой по расположению выводов. Процессоры IOP8134x созданы на базе архитектуры Intel XScale (имеют одно или два процессорных ядра) и поддерживают высокоскоростные компьютерные интерфейсы PCI-X и PCI-E. Отличительные особенности этих процессоров — встроенная аппаратная поддержка RAIDалгоритмов и наличие интерфейсов SAS/SATA (IOP81348), обеспечивающих пропускную способность до 3,0 Гбит/с.

ре реализовано восемь режимов работы (XOR, Dual XOR, XOR with P+Q, P+Q update и другие), позволяющих форсировать выполнение RAID-алгоритмов. Пример последовательности выполнения операций в алгоритме RAID5, в котором для вычисления контрольной информации используется логическая операция XOR, наглядно иллюстрирует рис. 7. В этом примере побитовые операции XOR выполняются с 64-разрядными словами каждого блока. Объем блоков данных 1024 байта. Начальные адреса блоков источников и приемника данных записываются в соответствующие дескрипторы контроллера прямого доступа к памяти. Предусмотрена возможность одновременной обработки

Рис. 6. Структурная схема процессора IOP81348

электронные компоненты  №7 2009

до 16 блоков данных. В данном примере результирующие данные накапливаются в ячейках памяти, однако, они могут пересылаться как по шине PCI-X, так и PCI-E. При реализации алгоритма RAID6 используется порождающий полином типа x8 + x4 + x3 + x2 + 1 (0x11D). Результат сотрудничества специалистов корпорации Intel и компании Emulex (www.emulex.com) — процессоры ввода/вывода Emulex IOP502M/ IOC540/IOC500S и другие, созданные на базе архитектуры процессоров Intel IOP8134x [14]. Эти процессоры кроме

стандартного SAS/SATA-интерфейса под­держивают также и оптоволоконный интерфейс, что расширяет области применения этих процессоров. Процессор pm8010 (pmc-sierra)

Американская компания PMC-Sierra, специализирующаяся в производстве микросхем для высокоскоростных систем проводной и беспроводной связи, систем хранения данных и сетевых приложений, предлагает ряд высокоинтегрированных микросхем для применения в интеллектуаль-

ных RAID-контроллерах, в том числе ИМС PM8010/8002/8001. Микросхема PM8010 — это, по сути, RAID-контроллер, выполненный на кристалле одной микросхемы (RAID-on-Chip — RoC). Микросхема PM8010 содержит процессорное MIPS-ядро с тактовой частотой 600 МГц, кэш память команд/данных первого уровня объемом 32/32 Кбайт, восьмиканальный SAS/SATA-контроллер, обеспечивающий пропускную способность до 6,0 Гбит/с, порт PCI-E v.2.0 (х8) — 5,0 Гбайт/с. Предусмотрена работа с памятью типа DDR2-533/667/800. Объем внешней SDRAM-памяти до 4 Гбайт. Структурная схема процессора ввода/ вывода PM8010 приведена на рис. 8 [8]. Для создания RAID-массивов, процессор поддерживает реализацию стандартных алгоритмов RAID0/1/10/5/50/6/60. При вычислении контрольных данных (P+Q) используется соответственно процедура XOR и код Рида-Соломона. Микросхемы PM8010 изготовлены по 90 нм CMOS-технологии и выпускаются в корпусах типа 672-BGA. Размеры корпуса 27×27 мм, шаг выводов 1,0 мм. Потребляемая мощность от 6 до 13 Вт. Sas/sata-контроллеры

Рис. 7. Последовательность операций в XOR-ускорителе Таблица 2. Основные параметры процессоров IOP8134x

Микроконтроллеры и DSP

40

Наименование Тактовая частота ядра, МГц Процессорное ядро XScale L1 команд/данных Кэш-память, Кбайт L2 унифицированная Встроенные шины разрядность, бит (North и South) такт. частота, МГц Внешняя память SDRAM DDR2-400/DDR2-533, Гбайт PCI-E v.1.0 (root complex/end point) PCI v.2.2 (32 бит, 66 МГц) PCI-X v.2.0 (64 бит, 133 МГц) DMA транспортный Каналы DMA DMA прикладн. задач Ускоритель RAID5/6 шина адреса, бит Периферийная шина данных, бит шина (PLB) такт. частота МГц SAS (1,5/3,0 Гбит/с) SMbus UART Контроллер I2C GPIO JTAG PCI, I/O Напряжение SDRAM питания, В ядра Тип корпуса (размеры, мм; шаг выводов, мм)

www.elcp.ru

Intel IOP81341 Intel IOP81342 Intel IOP81348 667…1200 667/800/1200 1 2 32/32 512 128 333/400 4 x8/x4/x2/x1 поддерживается 1 нет 2 3 XOR, P+Q, CRC32C 25 16 66 нет 8 1 2 3 16 + 3,3 1,8 1,2 1357-FCBGA (37,5×37,5; 1,0 )

Кроме процессоров ввода/вывода следует отметить также и SAS/ SATA-контроллеры, выпускаемые компаниями PMC-Sierra и LSI Corporation. Компания PMC-Sierra предлагает два SAS/SATA-контроллера — это PM8002 и PM8001, которые от процессора PM8010 отличаются, главным образом, отсутствием встроенного контроллера SDRAM-памяти. Контроллеры PM8002/1 предназначены для совместного использования с процессорами ввода/вывода. При этом обмен данными между ними осуществляется через интерфейс PCI-E. Микросхемы PM8002 изготавливаются по CMOS-технологии (90 нм) и отличаются низкой потребляемой мощностью (всего 6,5 Вт при скорости обмена 6,0 Гбит/с). Компания LSI Corporation предлагает несколько микросхем контроллеров SAS-интерфейса — LSISAS1064/ 10 6 4E /10 6 8/10 6 8 E . Контр ол леры LSISAS1064/1064E содержат четыре SASпорта, а LSISAS1068/1068E — восемь портов. Эти контроллеры обеспечивают пропускную способность 3 Гбит/с. Микросхемы LSISAS1064/1068 поддерживает интерфейс PCI-X, а микросхемы LSISAS1064E/1068E — PCI-E. Структура SAS-контроллера LSISAS1068 приведена на рис. 9. Новые микросхемы LSISAS2008/2108 имеют восемь SASпортов, которые поддерживают скорость передачи данных до 6 Гбит/с. Заключение

Рассмотренные устройства ввода/ вывода — высокопроизводительные

Рис. 8. Структура процессора PM8010

Компания Samsung в начале текущего года анонсировала новый SSDнакопитель SS805 емкостью 100 Гбайт для использования в корпоративных серверах, как альтернативу традиционным НЖМД со скоростью вращения 15 тыс. оборотов/мин [13]. Американская корпорация EMC Corporation в 2009 году анонсировала два новых флэш-накопителя объемом 200 и 400 Гбайт. По объему данных эти накопители уже вплотную приближаются к показателям НЖМД, используемым в корпоративных системах хранения данных. Рост спроса на флэш-память типа NAND, которая широко применяется в разнообразных бытовых и промышленных приборах, мобильных телефонах, MP3-плеерах, твердотельных накопителях данных, цифровых видео- и фотокамерах, компьютерах и т.п. служит мощным стимулом для наращивания выпуска и разработки новых технологий изготовления микросхем флэшпамяти типа NAND. Компания Samsung, лидер в производстве флэш-памяти типа NAND, предлагает микросхемы объемом 16 Гбайт — K9MDG08U5M (MLC) и 8 Гбайт — K9NCG08U5M (SLC). Конкуренцию компании Samsung в выпуске микросхем NAND-флэш составляют компания Micron Technology, а также созданная в 2008 г. Numonyx. Эта компания основана корпорациями Intel и STMicroelectronics для расширения производства микросхем памяти типа NOR- и NAND-флэш. В конце 2008 г. Numonyx объявила о завершении разработки кристаллов памяти NAND-флэш на базе технологии 40 нм, что позволит производить микросхемы памяти объемом до 128 Гбит. Ведущие компании также активно осваивают производство микросхем, удовлетворяющих требованиям спецификаций нового стандарта ONFI 2.1 (Open NAND Flash Interface), что позволит увеличить скорость операций чтения/записи до 200/100 Мбайт/с. Более полную информацию о параметрах и архитектуре рассмотренных процессоров можно найти в сети Интернет по адресам, указанным в [3—8].

Рис. 9. Структура SAS-контроллера LSISAS1068 ЛИТЕРАТУРА 1. The Diverse and Exploding Digital Universe: An Updated Forecast of Worldwide Information Growth Through 2011 (www.emc. com/digital_universe). 2. H. Peter Anvin. The mathematics of RAID-6 (www.kernel.org/pub/linux/kernel/ people/hpa/raid6.pdf). 3. PowerPC 440SPe Embedded Processor. Datasheet. — AMCC, 2008 (www.amcc.com). 4. PowerPC™460SX Embedded Processor. Product Brief. — AMCC, 2008 (www.amcc.com). 5. RAID 5/6 with PowerPC440SP/SPe. High performance RAID computations with PowerPC 440S series. Product Brief. — AMCC, 2008 (www. amcc.com). 6. Intel® 81348 I/O Processor. Datasheet. — Intel, 2007 (www.intel.com). 7. Intel® 81341 and Intel® 81342 I/O Processors. Datasheet. — Intel, 2007 (www. intel.com). 8. www.pmc-sierra.com 9. www.dolphinics.com 10. X25-E SATA Solid State Drive SSDSA2SH032G1. Datasheet. — Intel, 2008 (www.intel.com). 11. www.ssd.supertalent.com 12. Bianca Schroeder, Garth A. Gibson. Computer Science Department Carnegie Mellon University. Disk failures in the real world: What does an MTTF of 1,000,000 hours mean to you? (www. cs.cmu.edu/~bianca/fast07.pdf). 13. w w w. i t e c h n e w s . n e t / 2 0 0 9/ 01/14 / s a m s u n g - s s 8 0 5 -10 0 g b - g r e e n - s s d - f o renterprise 14. www.emulex.com

электронные компоненты  №7 2009

41 Микроконтроллеры и DSP

специализированные процессоры, ориентированные на применение, в первую очередь, в высокоэффективных RAIDконтроллерах. Преимущество PowerPC PPC460SX — мощное процессорное ядро с тактовой частотой 1,4 ГГц. Кроме того, они снабжены скоростными портами Gigabit Ethernet и поддерживают интерфейс PCI-E v.2.0. Недостатком этих процессоров является отсутствие встроенного SAS-контроллера. Наличие высокоскоростных Ethernet-портов и криптографического акселератора позволяет использовать эти процессоры в RAID-контроллерах распределенных систем хранения данных типа NAS. В последнее время все активнее идет процесс вытеснения традиционных НЖМД твердотельными (полупроводниковыми) накопителями типа SSD (Solid State Drives). Для хранения данных в этих накопителях, как правило, используются микросхемы памяти типа NAND-флэш, изготовленные как по технологии SLC (Single Level Cell), так и по MLC (Multiple Level Cell). Преимущество SSD-накопителей — это отсутствие движущихся механических частей и меньший уровень энергопотребления, а также важное для многих приложений, существенно меньшее, по сравнению с НЖМД, гарантированное время доступа к данным. Недостатками являются сравнительно высокая стоимость и меньший объем памяти, хотя в последнее время появились полупроводниковые накопители объемом до 1000 Гбайт, у которых пока довольно большие габаритные размеры [9]. Казалось бы, основанные на интегральной технологии SSD-накопители должны отличаться существенно большей надежностью по сравнению с НЖМД. Однако приводимое для SSDнакопителей типовое значение среднего времени наработки до отказа (MTBF) составляет 1—2 млн. часов [10,11], что в принципе сравнимо с показателями лучших дисковых накопителей. К примеру, SSD-накопитель X25-E SATA (Intel) имеет среднее время наработки до отказа 2 млн. часов [10]. Среднее время наработки до отказа жесткого диска, приводимое в технических спецификациях компаниями производителями, составляет 1—1,5 млн. часов. Как относиться к этим цифрам и что за ними скрывается в действительности, учитывая, что в году всего 8760 часов. Сотрудники престижного американского частного Университета CMU (Carnegie Mellon University — университет Карнеги-Меллона) в феврале 2007 году опубликовали доклад [12]. Из выводов, приведенных в нем, следует, что, как правило, показатель MTTF (Mean Time to Failure — среднее время до отказа), завышен приблизительно от двух до тридцати раз в зависимости от срока эксплуатации НЖМД [12].

42

www.elcp.ru

Территория Cortex-M3: экспресспортреты микроконтроллеров от разных производителей Константин Староверов, к.т.н., директор частного предприятия «СЭТ-МИКРО» Cortex-M3 — один из представителей нового семейства встраиваемых процессоров Cortex компании ARM, который предназначен для использования в критичных к стоимости микроконтроллерах. С момента представления процессора в 2004 г. о намерениях использовать его в своих микроконтроллерах заявило несколько компаний. Обо всех этих микроконтроллерах и их особенностях рассказано в статье. 1. Luminary Micro

Luminary Micro, несмотря на сравнительно недолгое — пятилетнее — существование в качестве самостоятельной компании, оставила заметный след в мировой электронике, став первым производителем общедоступных микроконтроллеров Cortex-M3. Ассортимент микроконтроллеров Luminary чрезвычайно обширен (138 шт.) и охватывает наиболее типичные области применения МК, включая промышленную, потребительскую и автомобильную электронику, охранные системы, медицинскую и робототехнику. Этот ассортимент создавался под влиянием потребности рынка в новом поколении электронной техники, которая при 32-разрядной вычислительной эффективности сохраняла бы конкурентоспособность с более простой техникой. МК Luminary объединены в общее семейство Stellaris, которое в свою очередь разделено на 11 серий. Уникальной характеристикой ассортимента Luminary является наличие в нем даже 28-выводных МК, что позволяет конкурировать семейству Stellaris с 8- и 16-разрядными чипами. А главная «изюминка» семейства Stellaris заключается даже не в возможности широкого выбора микроконтроллеров, а скорее в доступности микроконтроллеров со встроенным модулем Ethernet, причем со встроенным не только MAC-контроллером, но и трансивером. Данное предложение является беспрецедентным для группы Cortex-M3 и редко встречается даже среди всех выпускаемых в настоящее время 8…32-разрядных МК. Часть МК со встроенным интерфейсом Ethernet представлена в таблице 1. Некоторые из них имеют поддержку стандарта IEEE1588, который позволяет на наносекундном уровне синхронизировать контроллеры, подключенные к распределенной сети Ethernet. Такие МК идеальны для использования в промыш-

ленных контроллерах автоматизации. Применению МК Stellaris в промышленной автоматике способствует также доступность в некоторых из них многоканального ШИМ-контроллера, оптимизированного под использование в силовой преобразовательной технике; интерфейса квадратурного энкодера, облегчающего введение обратных связей по положению, направлению, скорости, а также стандартного набора аналоговой и цифровой периферии. Есть в ассортименте Stellaris и МК с полноскоростным интерфейсом USB с функциональностью на любой выбор (Host, Device, OTG) и МК с ориентированным на транспортные и промышленные применения интерфейсом CAN и со специальным модулем управления электропитанием (модуль Hibernation) для устройств с батарейным питанием, в т.ч. с функцией счета реального времени. К числу уникальных особенностей МК Stellaris можно отнести еще поддержку в некоторых из них программной библиотеки StellarisWare, запрограммированной производителем во внутреннее ПЗУ. Данная библиотека содержит драйверы встроенных модулей ввода/вывода, функции для программирования флэш-памяти, криптографические таблицы по стандарту AES, а также функции обнаружения ошибок CRC. Важно обратить внимание, что МК Stellaris помимо стандартного промышленного исполнения доступны в исполнении для работы в расширенном до 105°С температурном диапазоне. И напоследок, хорошая новость для разработчиков бытовой техники: архитектура МК Stellaris в дополнение к предлагаемой Luminary библиотекой поддержки тестов по классу Б стандарта IEC 60730 (в РФ действует его аутентичная версия ГОСТ Р МЭК 60730-1-2002) существенно облегчит процедуру сертификации на соответ-

электронные компоненты  №7 2009

43 Микроконтроллеры и DSP

Введение

Компания ARM является общепризнанным лидером в области разработки встраиваемых процессоров. Процессоры этой компании стали де-факто промышленными стандартами и широко используются в микроконтроллерах (МК) многих ведущих производителей. В ответ на постоянно растущую потребность рынка в 32-разрядных микроконтроллерах, способных конкурировать по цене и энергопотреблению с 16-разрядными МК и позволяющих при этом создавать более интеллектуальную продукцию с улучшенными потребительскими качествами, компания ARM создала сначала процессор ARM7TDMI, а впоследствии — Cortex-M3. В архитектуре процессора Cortex-M3 предпринят ряд улучшений с целью повышения эффективности кода программы, производительности его исполнения, устранения «узких мест» во внутренних каналах передачи и обработки данных, а также снижения энергопотребления и уменьшения числа логических вентилей. На данный момент известны шесть производителей микроконтроллеров на основе процессора Cortex-M3: Atmel, Energy Micro, Luminary Micro (с 2009 г. является собственностью компании Texas Instruments), NXP, STMicroelectronics и Toshiba. Будучи построенными на основе одного и того же типа процессора, все эти микроконтроллеры выполнены с использованием разных ингредиентов (периферийных модулей) и по особым рецептам (их количество, особенности и подключение). В результате, у семейств МК разных производителей есть свои достаточно узнаваемые портреты, отражающие концепции их создателей относительно того, как должна выглядеть архитектура МК, претендующего на успешность в той или иной области применения.

О появлении в семействе STM32 еще одной серии — Connectivity — было объявлено в конце июня текущего года. В эту четвертую по счету серию вошли микроконтроллеры со встроенными интерфейсами USB Host/Device/OTG, MAC-контроллером 10/100 Ethernet с поддержкой IEEE1588, двумя модулями CAN 2.0B и интерфейсом I2S (аудио-класс). Делая ставку именно на эти интерфейсы и имея в виду отличные характеристики энергопотребления и гибкости архитектуры своих микроконтроллеров, компания STM надеется на существенное расширение областей применения своей продукции, начиная от потребительской электроники (портативных музыкальных плееров (USB + I2S) и домашних театров (Ethernet + USB + I2S)) до промышленной электроники (программируемых логических контроллеров и преобразователей интерфейсов (Ethernet + CAN)). Медицинская техника, охранные системы, контрольно-измерительные приборы, системы управления электроприводом также являются потенциальными сферами для расширения объемов применения МК STM32. Рассмотренные особенности серий семейства STM32 обобщены на рисунке 1. Если перейти от общей оценки микроконтроллеров МК STM32 к анализу их архитектуры, то в сравнении с продукцией Luminary можно обнаружить стремление компании STM хоть на немного, но сделать более совершенный МК. Этот тренд прослежива-

ствие классу Б уровня безопасности и надежности бытовой техники. 2. STMicroelectronics

Cortex-эксклюзив от Luminary просуществовал чуть больше года — летом 2007-го со своим предложением нового семейства микроконтроллеров STM32 вышла компания STMicroelectronics. Ассортимент микроконтроллеров STM32 отличается более четкой и ясной классификацией и насчитывает 62 микроконтроллера. Изначально семейство STM32 разделялось на две серии — Performance и Access. Микроконтроллеры этих серий образуют совместимые по расположению выводов и объему флэш-памяти пары, которые отличаются быстродействием, степенью интеграции и, как следствие, стоимостью. МК из серии Access синхронизируются вдвое меньшей частотой, интегрируют меньший объем ОЗУ и сокращенный набор модулей ввода/вывода. Такой подход к классификации МК обеспечивает дополнительное преимущество использования одной и той же аппаратной платформы для установки микроконтроллеров разного класса. Осенью прошлого года семейство STM32 было расширено еще одной серией — USB Access, в которую вошли 48- и 64-выводные МК, отличающиеся от серии Access повышенной до 48 МГц максимальной частотой синхронизации и интеграцией полноскоростного (FS) Device-интерфейса USB.

ется начиная с системного уровня МК (выше частота синхронизации ЦПУ, более совершенная шинная архитектура, дополнительный сторожевой таймер, дополнительный низкочастотный RC-генератор, флэш-память с возможностью хранения данных в течение 30 лет при температуре 85°С и т.д.) и до встроенных модулей ввода/ вывода (более высокое предельное быстродействие последовательных интерфейсов, более высокое быстродействие и разрешающая способность АЦП). Больший акцент сделан у STM32 и на поддержку устройств с батарейным питанием. Такой вывод можно сделать после оценки характеристик энергопотребления: – напряжение питания 2…3,6 В (против 3…3,6 В Luminary); – удельный потребляемый ток ~0,4 мА/МГц (против ~1 мА/МГц Luminary); – потребляемый ток домена с отдельным батарейным питанием 1,4 мкА (против 16 мкА Luminary). Интересный маркетинговый ход компания STM предприняла в поддержке проектирования. Понимая, что наиболее популярной областью применения МК, где используется батарейное питание, является портативная электроника, STM совместно со своим партнером Raisonance создала STM32 Primer и STM32 Primer 2 [2]. Данные инструментальные средства, хотя и называются оценочными наборами, на самом деле могут выступать в качестве завершен-

1

1

1

1

1

LM3S6537

96

64

50

4

6

2

1

1

3

0,5

3

6—43

LQFP100

3

5—46

LQFP100

2

6—41

LQFP100 LQFP100

4

0,5

Корпус

1

3

Цифровой компаратор

3

4

Интерфейс I2C

4

4

Интерфейс EBI

3

25

LQFP100

Прецизионный RC-генератор

50

32

14—43

Поддержка DMA

64

128

LQFP100

2

ПЗУ с прошивкой StellarisWare

256

LM3S6610

8—35

0,25

Модуль Hibernation

LM3S6952

3 3

Количество линий ввода-вывода

1

1

Аналоговый компаратор

1

Датчик температуры

2

Частота дискретизации АЦП, МГц

1

2

Каналы 10-разряд. АЦП

2

3

SSI (SPI)

ШИМ-контроллер

3

50

I2C

32-битные таймеры

25

32

UART

Макс. частота ЦПУ, МГц

16

96

CAN

SRAM, Кбайт

64

LM3S6432

Поддержка IEEE1588

Флэш-память, Кбайт

LM3S6110

USB

Наименование

микроконтроллеры и DSP

44

Квадратурный энкодер

Таблица 1. Микроконтроллеры Stellaris со встроенным интерфейсом Ethernet и ШИМ-контроллером

LM3S6753

128

64

50

4

6

2

1

1

1

4

0,5

2

5—41

LM3S6965

256

64

50

4

6

3

2

1

2

4

1

2

0—42

LQFP100

LM3S8962

256

64

50

4

6

2

1

1

2

4

0,5

1

5—42

LQFP100

LM3S6950

256

64

50

4

6

3

1

2

1

3

1—46

LQFP100

LM3S8971

256

64

50

4

6

1

1

8

1

1

4—38

LM3S9792

128

64

80

4

8

2

2

2

16

1

3

0—65

1

OTG

1

2

2

3

LQFP100 16

LQFP100

LM3S9B96

256

96

80

4

8

OTG

2

3

2

2

2

16

1

3

0—65

16

LQFP100

LM3S9B92

256

96

80

4

8

OTG

2

3

2

2

2

16

1

3

0—65

16

LQFP100

LM3S9B95

256

96

100

4

8

OTG

2

3

2

2

2

16

1

3

0—65

16

LQFP100

www.elcp.ru

Рис. 1. Сравнение серий микроконтроллеров STM32

3. NXP

Октябрь 2008 г. ознаменовался появлением в группе Cortex-M3 первых 100-МГц МК, когда компания NXP представила первую серию Cortex-M3 микроконтроллеров LP1700 (см. табл. 2). Помимо увеличенного быстродействия, для МК LPC1700 характерно применение многослойной шинной архитектуры, интеграция MACконтроллера 10/100 Ethernet, интерфейса USB (On-The-Go/Host и/или Device), оптимизированного под управление электродвигателем ШИМ-контроллера, интерфейса квадратурного энкодера, стандартного набора последовательных интерфейсов (SPI, UART, I2C, I2S), высокобыстродействующего 12-разрядного АЦП и 10-разрядного ЦАП, двух интерфейсов CAN и т.д. Подобного рода МК существуют и в линейках Luminary и STM, однако все же можно выделить несколько особенностей, которые обеспечивают продукции NXP некоторые преимущества:

– выделение в статическом ОЗУ двух областей с независимым доступом со стороны модулей Ethernet, USB и DMA-контроллера; – применение многослойной матрицы шин для повышения параллелизма при передаче внутренних потоков данных; – более высокая степень интеграции последовательных интерфейсов (4×UART, 2×SSP, 3×I2C); – расширенная функциональность модулей UART, в т.ч. дробная генерация скорости, поддержка IrDA, RS-485, модемного интерфейса, DMA и FIFO; – эксклюзивная поддержка у одного из модулей I2C высокоскоростного режима Fast + (1 Мбит/с); – интеграция микромощных часов реального времени с потребляемым током менее 1 мкА и совместимость с напряжением литиевой батарейки; – совместимость по расположению выводов с популярными микроконтроллерами LPC2300 на основе ядра ARM7, что облегчит модернизацию существующих устройств, не требуя повторной разводки печатной платы. Справедливости ради нужно отметить, что по сравнению с STM32, микроконтроллеры LPC1700 рассчитаны на

работу в более узком диапазоне напряжения питания (2,4…3,6 В). Чтобы не отставать от конкурентов по ассортименту выпускаемых МК, NXP дополнительно разработала серию более простых микроконтроллеров LPC1300 (см. табл. 3), которые были представлены в мае текущего года. Они отличаются более низкой частотой синхронизации (70 МГц), размещением в корпусе с меньшим числом выводов, сокращенным набором модулей ввода/ вывода и объемом встроенных запоминающих устройств. Эти МК примечательны напряжением питания 1,8…3,6 В, удельным потреблением примерно 200 мкА/МГц и совместимостью по расположению и назначению выводов с еще одной новинкой от NXP — семейством LPC1100. Представители этого семейства являются единственными на данный момент МК, выполненными на основе процессора Cortex-M0, который отличается от М3 более низким электропотреблением. 4. Toshiba

Объявление о доступности своего первого МК Cortex-M3 компания Toshiba опубликовала в тот же день, что и NXP — 6 октября 2008 г. Главной

Таблица 2. Обзор семейства LPC1700 (NXP) Наименование

Флэш-память, Кбайт

SRAM, Кбайт

LPC1751

32

8

Нет

Device

LPC1752

64

16

Нет

Device

LPC1754

128

32

Нет

LPC1756

256

32

Нет

LPC1758

512

64

Есть

LPC1764

128

32

Есть

Ethernet

LPC1765

256

64

Нет

LPC1766

256

64

Есть

LPC1768

512

64

Есть

USB

Device/ Host/OTG Device/ Host/OTG Device/ Host/OTG Device Device/ Host/OTG Device/ Host/OTG Device/ Host/OTG

I2S

ЦАП

1

Нет

Нет

LQFP80

1

Нет

Нет

LQFP80

1

Нет

Есть

LQFP80

2

Есть

Есть

LQFP80

2

Есть

Есть

LQFP80

2

Нет

Нет

LQFP100

2

Есть

Есть

LQFP100

2

Есть

Есть

LQFP100

2

Есть

Есть

LQFP100

CAN

45

Корпус

электронные компоненты  №7 2009

Микроконтроллеры и DSP

ных и эргономичных платформ для создания устройств личного пользования. Множество тому подтверждений можно найти на веб-портале сообщества пользователей STM32 Primer (www. stm32circle.com), где выложены описания различных вариантов использования STM32 Primer, в т.ч. в качестве игровой консоли, измерительного прибора, часов и даже электрокардиографа. Завершая разговор о поддержке проектирования, необходимо отметить, что, также как и Luminary, компания STM бесплатно предлагает библиотеки драйверов модулей ввода/вывода, библиотеки поддержки тестов по стандарту IEC 60730 (класс Б) и библиотеки векторного управления электродвигателями. Интересным фактом в истории микроконтроллеров STM32 является их позитивное восприятие китайским рынком — осенью 2008 г. по итогам голосования инженеров и решения жюри микроконтроллеры STM32 были признаны лучшей продукцией года в категории «Микропроцессоры и DSP», по версии журнала EDN China.

модулей ввода/вывода. Заявление о доступности микроконтроллеров ожидается в ближайшее время. Заявка на ультранизкое электропотребление сделана даже в самом названии нового семейства — EFM32, (Energy Friendly Microcontroller), а собственно «дружелюбность к энергии» вытекает из следующих возможностей EFM32: – одно напряжение питания 1,8…3,8 В; – пять режимов работы, в т.ч. Energy Mode 3 с потребляемым током 0,3 мкА (сохраняется состояние ЦПУ, УВВ и ОЗУ, работают некоторые УВВ) и Energy Mode 4 (полное отключение) с потребляемым током 0,1 мкА; – возобновление активной работы за 2 мкс; – специальные сверхэкономичные модули ввода/вывода, в т.ч интерфейс LEUART™ с потребляемым током менее 1 мкА (в дополнение к обычным USART и UART) и таймер LETIMER™ с опциональными импульсными выходами. Помимо этих особенностей, микроконтроллеры EFM32 отличает ряд других уникальных характеристик: – наличие в некоторых МК контроллера сегментного ЖКИ; – аппаратная поддержка криптографического протокола AES-256; – интеграция аналоговых компараторов с возможностью построения на их основе сенсорных средств ввода емкостного типа. С прочими особенностями МК EFM32 можно ознакомиться в таблице 5.

Таблица 3. Обзор семейства LPC1300 (NXP) Наиме­нование LPC1311 LPC1313 LPC1342 LPC1343

Флэш-память, SRAM, UART I2C/ USB Кбайт Кбайт RS-485 Fast+ 8 2 — 1 1 32 8 — 1 1 16 4 Device 1 1 32 8 Device 1 1

особенностью представленного МК TMPM330FDFG стала его ориентация на цифровые аудио/видео-применения. Для этого в него интегрированы интерфейс управления потребительской электроникой HDMI-CEC и блок обработки сигналов дистанционного управления. Наличие данных блоков исключает необходимость программной реализации алгоритмов их работы и, как следствие, делает возможным более длительное нахождение ЦПУ в дежурном режиме работы и снижение среднего потребляемого тока. TMPM330FDFG оснащен флэшпамятью 512 Кбайт, которая выполнена по разработанной Toshiba технологии Nano Flash. Данная технология делает возможным сочетание высокого быстродействия и малого электропотребления флэш-памяти. В этом году запланирован выпуск еще двух аналогичных МК с меньшим объемом флэшпамяти, еще одного аналогичного МК с меньшим числом выводов, двух МК (TMPM370FYFG и TMPM370FYDFG) для управления электродвигателями (содержат аппаратный блок векторного управления, трехфазные ШИМконтроллеры, интерфейс квадратурного энкодера и т.д.) и еще одного продвинутого МК (TMPM320C1DFG) с рекордно высокой для группы

SSP/ Каналов Корпус SPI АЦП 1 8 LQFP48, HVQFN33 1 8 HVQFN33 1 8 LQFP48, HVQFN33 1 8 HVQFN33

Cortex-M3 частотой синхронизации ЦПУ (144 МГц) и встроенным высокоскоростным (HS) хост-контроллером USB. Все упомянутые МК образуют единое семейство TX03, а общая информация по нему приведена в таблице 4. 5. Energy Micro

Так случилось, что компания Texas Instruments оказалась косвенно связанной еще с одним производителем МК Cortex-M3. После успешного приобретения компанией Texas Instruments в 2006 г. известного производителя экономичных ИС для ZigBee-применений — Chipcon, один из ее соучредителей и одновременно генеральный директор со своей командой разработчиков основал новое предприятие по выпуску микроконтроллеров — Energy Micro (Норвегия). Понимая важность улучшения экологии, команда Energy Micro сконцентрировала внимание на создании чрезвычайно энергоэффективных МК и при этом сделала выбор в пользу встраиваемого процессора Cortex-M3 от ARM в качестве основы для будущей продукции. Детальные технические характеристики своих МК Energy Micro утвердила осенью 2008 г. Тогда же она подписала лицензионное соглашение с ARM на использование процессора и IP-блоков некоторых

6. Atmel

Несмотря на намерения компании Atmel запустить в серийное производ-

256

16

40

2,7…3,6

TMPM330FWFG*

128

8

40

2,7…3,6

TMPM370FYFG*

256

10

80

4,5…5,5

TMPM370FYDFG*

256

10

80

4,5…5,5

TMPM320C1DFG*

—

320 (SRAM) +1MБ (eDRAM)

144

1,1…1,3 + 3…3,3

*  В разработке. **  Опция модулей UART и I2C.

www.elcp.ru

HS Host

10 разряд., 4 кан.

2

4

1

1

LQFP64

10

3

3

6

1

2

LQFP100

10

3

3

6

1

2

LQFP100

10

3

3

6

1

2

LQFP100

8

4

4

8

4

4

8/

4

4

2

Корпус

TMPM330FYFG*

2

SD-хост

2,7…3,6

10

RTC

40

Препроцессор сигнала дистанционного управления

32

CEC

512

SIO**

TMPM330FDFG

10 разряд., 8 кан., 1,15 мкс 10 разряд., 12 кан., 1,15 мкс 10 разряд., 12 кан., 1,15 мкс 10 разряд., 12 кан., 1,15 мкс 2×12 разряд., 12+13 кан., 2 мкс 2×12 разряд., 12+13 кан., 2 мкс

I2C

2,7…3,6

SSP (SPI/Microwire)

40

UART

Напряжение питания, В

8

16-разряд. таймер/ ШИМ

Макс. частота ЦПУ, МГц

128

АЦП

RAM, Кбайт

TMPM332FWUG*

USB

Флэш-память, Кбайт

микроконтроллеры и DSP

46

Наименование

Таблица 4. Обзор семейства TX03 (Toshiba)

LQFP100 QFP100 LQFP100 QFP100 LQFP144

1

1

1

QFN32

2

1

1

1

QFN32

EFM32-2230F32/64/128-Q64

32/64/128

8/16/16

32

1,8…3,8

56

3

2

1

3

1

1

2

QFN64

EFM32-2640F32/64/128-Q64

32/64/128

8/16/16

32

1,8…3,8

56

3

2

1

3

1

1

2

EFM32-2290F32/64/128-B112 EFM32-2280F32/64/128-T100 EFM32-2690F32/64/128-B112 EFM32-2680F32/64/128-T100

8/16/16

32

1,8…3,8

32/64/128

8/16/16

32

1,8…3,8

LCD

Напряжение питания, В

32/64/128

4×24

90 85 90 85

4×40

3

1

2

1

3

1

1

2

3

1

2

1

3

1

1

2

Корпус

12-разряд. ЦАП

2

1

EBI

12-разряд. АЦП

1

1

RTC

1

2

LETIMER

2

24

16-разряд. таймер

24

1,8…3,8

I2C

1,8…3,8

32

LEUART

32

16

UART

8/8/16

128

USART

16/32/64

EFM32-2210F128-Q32

Количество линий ввода/вывода

RAM, Кбайт

EFM32-2200F16/32/64-Q32

Макс. частота ЦПУ, МГц

Наименование

Флэш-память, Кбайт

Табл. 5. Обзор семейства EFM32 (EnergyMicro)

QFN64 BGA112 QFP100 BGA112 QFP100

Табл. 6. Обзор семейства AT91SAM3U (Atmel) Каналы Каналы Макс. 16-разФлэшSPI/ Интер- 10-разрядного 12-разрядного НаименоваSRAM, частота рядные ШИМHS USB память, USART TWI/ фейс АЦП/частота АЦП/частота ние Кбайт ЦПУ, тайме- контроллер DEVICE Кбайт SSC EBI дискретизадискретизаМГц ры ции, МГц ции, МГц AT91SAM3U1C

64

20

96

3

4

3

4/1/1

4/0,46

4/1

AT91SAM3U2C

128

36

96

3

4

3

4/1/1

4/0,46

4/1

AT91SAM3U4C

256

52

96

3

4

3

4/1/1

4/0,46

4/1

AT91SAM3U1E

64

20

96

3

4

4

5/2/1

8/0,46

8/1

AT91SAM3U2E

128

36

96

3

4

4

5/2/1

8/0,46

8/1

AT91SAM3U4E

256

52

96

3

4

4

5/2/1

8/0,46

8/1

его быстродействие может достигать 384 Мбит/с; – интерфейса SPI с возможностью передачи на скорости до 48 Мбит/с. Для эффективной работы столь высокобыстродействующих интерфейсов при минимальном участии ЦПУ в архитектуре МК предпринят ряд улучшений. К их числу относятся пятислойная матрица шин, DMAконтроллер с 23 каналами и статическое ОЗУ, разделенное на три блока, каждый из которых может выступать в качестве независимого субъекта DMA-транзакции. МК AT91SAM3U примечательны также возможностью работы при рекордно низком для группы Cortex-M3 напряжении — 1,62 В, а также интеграцией: – 16 Кбайт ПЗУ с запрограммированными в него процедурами программирования флэш-памяти через интерфейсы UART и USB; – очень маломощных часов реального времени (0,6 мкА) с функциями календаря и будильника; – до 4 USART с поддержкой ISO7816, IrDA®, управления потоком, SPI и кодирования Манчестер и одного UART; – опционального дифференциального усилительного каскада с програм-

LQFP100, TFBGA100 LQFP100, TFBGA100 LQFP100, TFBGA100 LQFP144, LFBGA144 LQFP144, LFBGA144 LQFP144, LFBGA144

мируемым усилением на входе 12-битного АЦП. Перечисленные особенности МК AT91SAM3U делают их применение идеальным в регистраторах данных, компьютерной периферии и преобразователях высокоскоростных интерфейсов, например USB↔SDIO, USB↔SPI, USB↔EBI и т.д. Выводы

Сделанный обзор показал, что, несмотря на использование одного и того же процессора и даже при ориентации на одни те же области применения, микроконтроллеры разных производителей обладают набором уникальных преимуществ (встроенные модули, поддержка проектирования). Этот набор можно назвать своего рода ставкой производителей на успешность их продукции в том или ином рыночном секторе. Литература 1. Староверов К.С. Микроконтроллеры на основе ядра ARM Cortex M3//Новости электроники, №1, 2008. — с. 9–15. 2. Староверов К.С. Готовые решения на основе микроконтроллеров STM32// Новости электроники, №13, 2008. — с. 17—20.

электронные компоненты  №7 2009

47 Микроконтроллеры и DSP

ство микроконтроллеры Cortex-M3 еще в конце прошлого года, официальное объявление об их доступности было сделано совсем недавно — в начале июня. Как бы там ни было, доступность семейства МК AT91SAM3U является состоявшимся фактом, а Atmel стала шестой по счету компанией, выпускающей микроконтроллеры Cortex-M3. На данный момент доступно 6 МК с объемом флэш-памяти 64, 128 и 256 Кбайт и в двух исполнениях: в базовом «C» с числом выводов 100 и в расширенном «E» с числом выводов 144 и повышенным числом встроенных модулей ввода/вывода (см. табл. 6). Главной особенностью МК AT91SAM3U является интеграция в них нескольких высокоскоростных коммуникационных модулей, в т.ч.: – высокоскоростных (480 Мбит/с) Device-контроллера и трансивера USB 2.0 (буфер FIFO до 4 Кбайт, до 7 конечных точек); – высокоскоростного интерфейса HSMCI, предназначенного для подключения разнообразных карт памяти по протоколам MMC (версии 4.3), SD (версии 2.0), SDIO (версии 2.0) и CE-ATA (версии 1.1). Когда этот интерфейс используется в 8-битном режиме MMC 4.3,

Корпус

Семейства микроконтроллеров с ядром ARM Производитель

Дистрибьютор

Семейство

Тип ядра

Производительность (тактовая частота)

Мощность потребления

Cortex-M3 ЗАО «ПКК Миландр»

ЗАО «ПКК Миландр»

1986ВЕ91

128 Кбайт Flash

125 DMIPS Тактовая частота до 80 МГц

50 мА в активном режиме 2...50 мкА в различных режимах энергосбережения

32 Кбайт ОЗУ

микроконтроллеры и DSP

48

Analog Devices

«Автекс» «Аргуссофт» «Элтех»

ADuC 702x

ARM7 TDMI

11 мА на частоте 5 МГц, 41 MIPS (частота ядра до 44 МГц) 40 мА на частоте 41,78 МГц, 0,25мА в спящем режиме

Analog Devices

«Автекс» «Аргуссофт» «Элтех»

ADuC 703x

ARM7 TDMI

20 MIPS (частота ядра до 20,5 МГц)

10 мА на частоте 10 МГц, 20 мА на частоте 20 МГц, 0,12 мА в спящем режиме

Analog Devices

«Автекс» «Аргуссофт» «Элтех»

ADuC 706x

ARM7 TDMI

20 MIPS (частота ядра до 20,5 МГц)

2,8 мА на частоте 1,28 МГц 10 мА на частоте 10 МГц 0,12 мА в спящем режиме

Atmel

Rainbow Technologies

AT91x40xx

ARM7TDMI

40…75 МГц, до 67 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91M42800A

ARM7TDMI

33 МГц, 30 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91M55800A

ARM7TDMI

33 МГц, 30 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91RM9200

ARM920T

180 МГц, 200 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91SAM7Ax

ARM7TDMI

60 МГц, 54 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91SAM7Lxxx

ARM7TDMI

36 МГц, 32 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91SAM7Sxxx

ARM7TDMI

55 МГц, 50 MIPS

www.elcp.ru

Прочая периферия

Рекомендуемое применение

Примечания

USB, UART, SPI, I2C, внешняя системная шина до 32 разрядов, с поддержкой SRAM, NAND Flash

2 12-разрядных АЦП на 16 каналов, 2 12-разрядных ЦАП, компаратор, датчик температуры и опорного напряжения, Спецтехника контроль питания, батарейный домен с часами реального времени, 3 таймера с 4 каналами ШИМ/Захват

Расширенный температурный диапазон −60…125°С Питание 2,0…3,6 В Корпуса: 144-, 108-, 88-, 64-, 48и 42-выводные.

UART, 2×I²C, SPI, до 40 портов общего назначения, JTAG

12-разрядный АЦП, 1 МГц с количеством каналов до 16, до 4 12-разрядных ЦАП, 4 таймера, 3-фазный 16-разрядный ШИМ, сторожевой таймер, монитор источника питания, источник опорного напряжения, программируемая логическая матрица

Промышленное

–40…125°C корпуса от 6×6 мм

UART, SPI, LIN 2.0, JTAG, 9 портов общего назначения

2 16-разрядных сигма-дельта АЦП, 3 таймера, сторожевой таймер, монитор источника питания, источник опорного напряжения

Контроль работы автомобильного аккумулятора

Рабочая температура –40 ... 115°C, корпуса от 7×7 мм, питание 2,5 В, питание напрямую от 12-В батареи

UART, SPI, I²C, 16-разрядный ШИМ, JTAG, до 16 портов общего назначения

2 24-разрядных сигма-дельта АЦП, частота ODR до 8 кГц, 4 таймера, сторожевой таймер, монитор источника питания, источник опорного напряжения

Промышленное, измерительные системы

рабочая температура –40...125°C корпуса от 5×5 мм,

1 External Bus Interface

2-Мбайт флэш-память, 2 USART, 3 16-разрядных таймера

Малогабаритные устройства, внутри­системные программируемые приложения

1 External Bus Interface

2 USART, 1 RTT, 2 SPI, 6 16-разрядных таймеров

Системы контроля, работающие в режиме реального времени; гибкие и недорогие решения для всех типов приложений, требущих большого объема вычистений

1 External Bus Interface

Системы контроля, работающие в режиме реального време1 RTC, 10-разрадный АЦП на 8 каналов, 10-разрядный ЦАП ни; гибкие и недорогие решения для всех типов приложений на 2 канала, 3 USART, 1 SPI, 6 16-разрядных таймеров с ультранизким потреблением мощности

1 Ethernet MAC 10/100, 2 FS USB Host, 1 FS USB Device, 1 RTC, 1 RTT, 4 USART, 1 DBGU, 1 SPI, 1 TWI, 3 SSC, 1 MCI, 1 External Bus Interface 6 16-разрядных таймеров, MMU (SDRAM, CompactFlash, ECC NAND Flash)

2 CAN, 1 FS USB Device

1 FS USB Device

Приложения, требующие высокого быстродействия, такие как хост-процессоры в системах контроля и связи. Телематические системы для подключения приемников GPS и устройств GPRS. Промышленная автоматизация, медицинские системы, терминалы продаж

Встраиваемые промышленные приложения для контроля в 256-Кбайт флэш-память, 1 RTT, 10-разрадный АЦП на 16 реальном времени, использующие сети CAN. Медицинские каналов, 3 USART, 1 DBGU, 2 SPI, 1 TWI, 2 SSC, 1 MCI, 8 ШИМ, системы, термографические принтеры, считыватели смарт9 16-разрядных таймеров карт, «белые товары» (предметы домашнего обихода, покрытые белой эмалью)

49

64-...128-Кбайт флэш-память, контроллер LCD, 1 RTC, 10-разрядный АЦП на 4 канала, 2 USART, 1 SPI, 1 TWI, 4 ШИМ, 4 16-разрядных таймера

Устройства с батарейным питанием, калькуляторы, игрушки, пульты дистанционного управления, медицинское оборудование, аксессуары для мобильных телефонов, беспроводные датчики, системы аварийной сигнализации, модули Bluetooth®, промышленный контроль, пульты управления, метеостанции

16-...512-Кбайт флэш-память, 1 RTT, 2 USART, 1 SPI, 1 SSC, 1 TWI, 10-разрядный АЦП на 8 каналов, 4 ШИМ, 3 16-разрядных таймера

Эффективные решения для широкого круга встраиваемых систем контроля, требующих высокого быстродействия и совместимости с USB. Системы аварийной сигнализации, аудиоплееры, модули Bluetooth®, модули GPS, системы промышленного контроля, пульты управления, медицинское Серия ARM7 микроконтролоборудование, измерительные системы, аксессуары для леров общего назначения мобильного телефона, термографические принтеры, системы дистанционного контроля, считыватели смарт-карт, игровые устройства, WMA-/MP3-плееры, USB-флэш, «белые товары», беспроводные датчики, метеостанции

Серия ARM7 микроконтроллеров с пониженным энергопотреблением (100 нА в режиме power down) и встроенным контролером LCD

электронные компоненты  №7 2009

микроконтроллеры и DSP

Типы интерфейсов

Таблица. Семейства микроконтроллеров с ядром ARM (продолжение) Производитель

микроконтроллеры и DSP

50

Дистрибьютор

Семейство

Тип ядра

Производительность (тактовая частота)

Atmel

Rainbow Technologies

AT91SAM7SExxx

ARM7TDMI

48 МГц, 43 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91SAM7Xxxx

ARM7TDMI

55 МГц, 50 MIPS

Atmel

Rainbow Technologies

AT91SAM9xxx

ARM926EJ-S

210-400 МГц

Atmel

Rainbow Technologies

AT91SAM9XExxx

ARM926EJ-S

210 МГц

Atmel

Rainbow Technologies

ATSAM3Uxxx

ARM Cortex M3

96 МГц

nuvoTon

Rainbow Technologies

NUC5xxx

ARM7TDMI

108 МГц

www.elcp.ru

Мощность потребления

Прочая периферия

Рекомендуемое применение

Примечания

1 External Bus Interface 32-...512-Кбайт флэш-память, 1 RTT, 10-разрядный АЦП (SDRAM, CompactFlash, ECC на 8 каналов, 2 USART, 1 DBGU, 1 SPI, 1 TWI, 1 SSC, 4 ШИМ, NAND Flash), 1 FS USB Device 3 16-разрядных таймера

Эффективные решения для широкого круга встраиваемых систем контроля, требующих высокого быстродействия, совместимости с USB и внешних или накристальных модулей памяти. Системы аварийной сигнализации, аудиоплееры, модули Bluetooth®, модули GPS, системы промышленного контроля, пульты управления, медицинское оборудование, измерительные системы, аксессуары для мобильного телефона, термографические принтеры, системы дистанционного контроля, считыватели смарт-карт, игровые устройства, WMA-/MP3-плееры, USB-флэш, «белые товары», беспроводные датчики, метеостанции

Cерия ARM7 микроконтроллеров с интерфейсом внешней шины для подключения внешней памяти

128-...512-Кбайт флэш-память, 1 RTT, 2 USART, 2 SPI, 1 SSC, 1 Ethernet MAC 10/100, 1 FS 1 TWI, 10-разрядный АЦП на 8 каналов, 4 ШИМ, 3 16-разUSB Device, 1 CAN рядных таймера

Встраиваемые промышленные приложения для контроля в реальном времени, требующие совместимости с интерфейсами USB, Ethernet, CAN и ZigBee. Системы аварийной сигнализации, аудиоплееры, сетевые устройства Ethernet, модули GPS, системы промышленного контроля, пульты управления, медицинское оборудование, измерительные системы, термографические принтеры, считыватели смарт-карт, телематические устройства, USB-флэш, «белые товары»

Серия ARM7 микроконтроллеров с широким набором встроенных интерфейсов и периферийных устройств для гибкого и эффективного по стоимости решения задач встраиваемого управления, требующих передачи данных по каналу связи

1 Ethernet MAC 10/100 (опционально), Image Sensor Interface (опционально), 2 FS USB Host (опционально), 1 FS/HS USB Device, 1...2 External Bus Interface, CAN (опционально)

Системы обработки изображения, такие как терминалы продаж, IP-камеры на основе Ethernet или считыватели штрих-кодов. Беспроводные наладонники с низким потреблением и высокой производительностью, такие как беспроводные системы оплаты. Продвинутые СнК-модули, например базовые процессоры GPS, которые требуют как высокой произвоодительности, так и высокой пропускной способности одновременно. Системы с ЖК-дисплеем, малопотребляющие быстродействующие устройства, например терминалы продаж, автоматические строительные системы, камеры видеонаблюдения, считыватели штрих-кодов. Встраиваемые сетевые устройства, от дисплеев на бытовой технике до систем промышленного контроля

Серия ARM9 микроконтроллеров, широкий выбор различных наборов встроенных интерфейсов и периферийных устройств

Системы обработки изображения, такие как терминалы продаж, IP-камеры на основе Ethernet или считыватели штрих-ко­ дов. Системы аварийной сигнализации, аудиоплееры, сетевые устройства Ethernet, системы промышленного контроля, M2M, программируемые логические контроллеры, считыватели смарт-карт, телематические устройства, USB-хост-контроллеры

Серия ARM9 микроконтроллеров со встроенной флэшпамятью 128...512 Кбайт и широким набором встроенных интерфейсов и периферийных устройств

Различные приложения на основе USB: системы сбора данных, компьютерные периферийные устройства и все виды быстродействующих мостов (между USB и SDIO, USB и SPI, USB и External Bus Interface)

Новейшее семейство микроконтроллеров на базе архитектуры ARM Cortex M3 со встроенной флэш-памятью, контроллером USB High Speed и интерфейсом для подключения внешней памяти

Недорогие быстродействующие системы широкого назначения, например игровые устройства, развлекательные и обучающие роботы, бытовые приборы

Серия из двух недорогих и высокопроизводительных ARM7 микроконтроллеров с интерфейсом SpiMemory для подключения внешней памяти, поддерживающей SPI (SpiFlash, SpiROM и т.д.). Код во внешней памяти может быть защищен от копирования 128-битным ключом, записываемым в One Time Programmable EPROM.

Контроллер ЖКИ (опционально), 1 RTC, 1-2 RTT, 10-разрядный АЦП на 3...6 каналов (опционально), 3...6 USART, 1 DBGU, 1...2 SPI, 1...2 TWI, 1-3 SSC, 1...2 MCI, 3...4 ШИМ (опционально), 3...6 16-разрядных таймера, MMU

1 Ethernet MAC 10/100, 128-...512-Кбайт флэш-память, 1 RTT, 4-канальный 10-разImage Sensor Interface, 2 FS рядный АЦП, 5 USART, 1 DBGU, 2 SPI, 2 TWI, 1 SSC, 1 MCI, 6 USB Host, 1 FS USB Device, 16-разрядных таймеров, MMU 1 External Bus Interface

1 External Bus Interface, 1 1 HS USB Device

SpiMemory interface, 1 FS USB Device

64-...256-Кбайт флэш-память, 1 RTC, 1 RTT, 10-разрядный АЦП на 4...8 каналов, 12-разрядный АЦП на 4...8 каналов, 4...5 USART, 4...5 SPI, 1...2 TWI, 1 SSC, 1 MCI, 4 ШИМ, 3 16-разрядных таймера, MPU

1 RTC, 4 ШИМ, 10-разрядный АЦП на 8 каналов, одноканальный 16-разрядный ЦАП, 1...2 UART, 1 I2C, 2 SPI

электронные компоненты  №7 2009

51 микроконтроллеры и DSP

Типы интерфейсов

Таблица. Семейства микроконтроллеров с ядром ARM (продолжение) Производитель

Дистрибьютор

Семейство

Тип ядра

Производительность (тактовая частота)

nuvoTon

Rainbow Technologies

NUC7xxx

ARM7TDMI

80...96 МГц

nuvoTon

Rainbow Technologies

NUC9xxx

ARM926EJ-S

144...200 МГц

NXP

«Радиоэлектроника»

LPC23/24

ARM7TDMI-S

72 МГц

NXP

«Радиоэлектроника»

LPC17xx

Cortex M3 (Rev 2)

100 МГц

NXP NXP

«Авнет», Arrow, «Компэл», «Гамма», Vissa, «МТ-Систем» «Авнет», Arrow, «Компэл», «Гамма», Vissa, «МТ-Систем»

LPC1000 LPC2000

Cortex-M3 ver2, Cortex-M0 ARM7TDMI, ARM968E

Мощность потребления

7...42 мА в активном режиме, 0,0005 мА в спящем режиме 80 MIPS на частоте 72 МГц (ARM7), 15...125 мА в активном режиме, 137 MIPS на частоте 125 МГц (ARM9), 0,04...0,5 мА в спящем режиме 126 MIPS на частоте 100 МГц

NXP

«Авнет», Arrow, «Компэл», «Гамма», Vissa, «МТ-Систем»

LPC3000

ARM926EJS

293 MIPS на частоте 266 МГц

80 мА в активном режиме, 0,5 мА в спящем режиме

Samsung Semiconductors

«МТ-Систем»

S3C24xx

ARM926EJ

266, 400, 533 МГц

максимум 360 мВт на 400 МГц

Samsung Semiconductors

«МТ-Систем»

S3C64xx

ARM11JZF-S

533, 667 МГц

Samsung Semiconductors

«МТ-Систем»

S5PC100

Cortex™-A8

667, 833 МГц

STMicroelectronics

«ПетроИнТрейд», «Компэл»

STM32

Cortex-M3 (ARM v7M) 90 MIPS на частоте 72 МГц

микроконтроллеры и DSP

52

www.elcp.ru

100 мВт в активном режиме, 7 мкВт в спящем режиме

Прочая периферия

Рекомендуемое применение

Терминалы продаж и кассовые аппараты, интерфейсы «человек-машина», системы сбора данных, игровые устройства, развлекательные и обучающие роботы, бытовые приборы, свичи Ethernet, панели управления для систем обмена данными или телекоммуникационных систем, сервер доступа к принтерам, а также другие приложения, где требуется быстродействующий и недорогой процессор Терминалы продаж, интерфейсы «человек-машина», панели управления для систем обмена данными или телекоммуникационных систем, персональные сетевые системы хранения данных, медиаадаптеры, DVR- и телекоммуникационные системы, IP-камеры видеонаблюдения, портативные видео External Bus Interface, Контроллер LCD (опционально), кодеки Jpeg и MP4 (опциорекодеры, переносные медиаплееры, IP-камеры для робо1 Ethernet MAC 10/100, нально), RTC, 2—4 ШИМ, 10-разрядный АЦП на 8 каналов, тов, системы цифровой видеозаписи в автомобиле, Wi-Fi 1—2 HS/FS USB Host, 1 HS/ контроллер Touch Screen (опционально), 16-разрядный ЦАП IP-камеры, DPF, игровые устройства, развлекательные и обуFS USB Device, Image Sensor на 2 канала (опционально), 1—5 UART, 1—2 I2C, 1...H272 чающие роботы, бытовые приборы, свичи Ethernet, серверы 2 SPI, 1 I S, 2 PS/2 (опционально) Interface (опционально) доступа к принтерам, интернет-радио, устройства отображения бегущей строки, системы управления коммутаторами, шлюзы VoIP, IAD- и телекоммуникационные системы, а также другие приложения, где требуется высокопроизводительный и недорогой процессор Ethernet 10/100 MAC, 2 CAN, 10-разрядный АЦП на 8 каналов, 10-разрядный ЦАП, 6 тай- Промышленная автоматизация, преобразователи интерUSB HOST DEVICE OTG, меров, 6/12 каналов ШИМ, XGA контроллер LCD, 32-разфейсов, управление двигателями, медицинская техника, 4 UART, 3 I2C, 2 LIN, SPI, 2 SSP, рядная внешняя шина автомобильные приложения I2S, SD/MMC Ethernet 10/100 MAC, 2 CAN, Промышленная автоматизация, преобразователи интерфейсов, 12-разрядный АЦП на 8 каналов, 10-разрядный ЦАП, 6 тайUSB HOST DEVICE OTG, управление двигателями, медицинская техника, автомобильные меров, 6 каналов ШИМ, квадратичный энкодер 4 UART, 3 I2C, SPI, 2 SSP, I2S, приложения Ethernet, CAN, USB, UART, I2C, 12-разрядный АЦП, 10-разрядный ЦАП Индустриальное I2S, SSI, SSP ШИМ 2 Ethernet, CAN, USB, UART, I C, 10-разрядный АЦП, 10-разрядный ЦАП Индустриальное I2S, SSI, SSP, LCD ШИМ 10-разрядный АЦП, 10-разрядный ЦАП Ethernet, CAN, HiSp USB, ШИМ, MMC, SDHC, SDIO, CE-ATA, монитор заряда батареи, Индустриальное UART, I2C, I2S, SSI, SSP, LCD AES, усилитель класса АВ USB HOST, DEVICE, 2xHSMMC/SDHC, 2xHS-SPI, IrDA, Переносные навигационные системы, одноплатные компью4xUART, 2xI2C, 24-bit 2xI2S, 2xPCM, AC97, TFT-интерфейс, 12-разрядный АЦП, 10 каналов, RTC, PWM, WDT, 8xDMA теры, цифровая идентификация, принтеры, интеллектуальCF 3.0/ATA6, Camera ные удаленные системы, игровые устройства Controller, NAND/mDDR/ DDR2/OneNAND/NOR и т.д. External Bus Interface, 1—2 Ethernet MAC 10/100, 1—2 FS USB Host, 1 FS USB Device, Image Sensor Interface (опционально)

Контроллер LCD (опционально), RTC, 4—17 ШИМ, 10-разрядный АЦП на 8—13 каналов, одноканальный 16-разрядный сигма-дельта АЦП (опционально),16-разрядный ЦАП на 1—2 канала, 1—4 UART, 1—2 I2C, 1 SPI, 1 I2S, 1 PS/2 (опционально)

USB HOST, OTG, HS-MMC/ SDHC, 2xHS-SPI, IrDA, 4xUART, 2xI2C, 24-bit 2xI2S, 2xPCM, 12-разрядный АЦП, 8 каналов, RTC, PWM, WDT, 32xDMA, AC97, TFT-интерфейс, CF 3.0/ Keypad (8x8) ATA6, NAND/mDDR/DDR/ OneNAND/NOR и т.д.

Переносные навигационные системы, одноплатные компьютеры, цифровая идентификация, принтеры, интеллектуальные удаленные системы, игровые устройства, видеокамеры, бортовые развлекательные системы, телевизионные приставки, видеофоны, преобразователи видеоизображения

USB HOST, OTG, 3xHS-MMC/ SDHC, 3xHS-SPI, IrDA, 4xUART, 2xI2C, 24-bit 3xI2S, 2xPCM, 12-разрядный АЦП, 10 каналов, RTC, PWM, WDT, 24xDMA, AC97, TFT-интерфейс, CF 3.0/ Keypad (8x8) ATA6, S/PDIF, MIPI-HIS/MODEM I/F, 2xCAN, NAND/mDDR2/ DDR2/OneNAND/NOR и т.д.

Переносные навигационные системы, одноплатные компьютеры, цифровая идентификация, принтеры, интеллектуальные удаленные системы, игровые устройства, видеокамеры, бортовые развлекательные системы, телевизионные приставки, видеофоны, преобразователи видеоизображения

Примечания Серия высокопроизводительных ARM7 микроконтролеров общего назначения с широким выбором различных наборов встроенных интерфейсов и периферийных устройств

Серия высокопроизводительных ARM9 микропроцессоров с широким выбором различных наборов встроенных интерфейсов и периферийных устройств

LQFP208, LQFP144 LQFP100, TFBGA208, TFBGA180, TFBGA100 LQFP100, LQFP80

2D Graphics, CSC&Scaler

Camera Controller 4MP, Multi Format CODEC (H.264/ MPEG4/VC1), NTSC, PAL TV out (+ Image Enhancement), JPEG codec, 2D Graphics Engine, 3D Graphics Engine (4M, FIMG3DSE V1.5), Standalone Rotator and Posr Processor Camera IF / CSI-2, 720p 30fps MFC [Codec - H.263/H.264/ MPEG4, Decoder - MPEG2/ VC-1/DIVx], 3D Graphic Engine, 2D Graphic Engine, NTSC, PAL TV out (MIPI DSI/HDMI), JPEG CODEC, L2 Cache 256KB

Широкая номенклатура в семействе. Низкая цена. Одновременная работа USB OTG- и Охранно-пожарные системы, приложения с батарейным CAN-интерфейсов. Бесплатные питанием, управление электродвигателями, торговое обо- библиотеки для разработки Ethernet MAC и PHY, 2 CAN, 3 12-разрядных АЦП, 2 12-разрядных ЦАП, 12 выходов расрудование, промышленные коммуникации, цифровые USB-, TCP/IP-приложений, USB OTG, 5 UART, 2 I2C, 3 SPI, ширенного ШИМ, 4 входа датчика положения, контроллер источники питания, системы видеосвязи, счетчики электро­ век­тор­ного управления элек­ FSMC, SDIO, I2S DMA, CRC-блок, датчик температуры. энергии, интерфейсы пользователя, домашние аудиосисте- тро­двигателями, построения мы, медицинское оборудование сенсорных ин­тер­фейсов, голосового кодека, DSP-функ­ций, криптошифрования, быстрый и качественный АЦП

электронные компоненты  №7 2009

53 микроконтроллеры и DSP

Типы интерфейсов

Таблица. Семейства микроконтроллеров с ядром ARM (окончание) Производитель

Дистрибьютор

Texas Instruments (Luminary Micro)

Семейство

Stellaris

Тип ядра

Cortex-M3 (ARM v7M)

Производительность (тактовая частота)

125 MIPS на частоте 100 МГц

198 мВт в активном режиме, 33 мкВт в спящем режиме

Texas Instruments

«СКАНТИ Рус», «Компэл»

Stellaris M3

Cortex-M3

100 МГц

60 мА в активном режиме без Ethernet, 80 мА в активном режиме c Ethernet, 8 мА в спящем режиме, 600 мкА в режиме глубокого сна, 10 мкА в режиме гибернации

Texas Instruments

«СКАНТИ Рус», «Компэл»

DM35x

ARM9 + Video Accelerator

135, 216, 270 МГц

190...F79230 мВт на частоте 216 МГц, ~3,7 мВт в режиме глубокого сна

Texas Instruments

«СКАНТИ Рус», «Компэл»

OMAP3503/15

Cortex-A8 + Graphics Accelerator

600 МГц

OMAP3503: ~510 мВт на частоте 600 МГц , ~110 мВт на частоте 125 МГц, ~2,5 мВт в режиме ожидания, ~0,5 мВт в отключенном состоянии OMAP3515: ~630 мВт на частоте 600 МГц, ~220 мВт на частоте 125 МГц, ~2,5 мВт в режиме ожидания, ~0,5 мВт в отключенном состоянии

Texas Instruments

«СКАНТИ Рус», «Компэл»

OMAP-L10x

ARM9

300 МГц

~180 мВт на частоте 300 МГц, ~12 мВт в режиме Idle slow, ~7 мВт в режиме глубокого сна

Texas Instruments

«СКАНТИ Рус», «Компэл»

DM644x

ARM9 Plus C64x+™ До 300 МГц ARM, до 594 DSP + Video Processing МГц DSP Subsystem

DM6441: ~1 Вт на частоте 600 МГц, ~170 мВт в режиме ожидания, ~60 мВт в отключенном состоянии DM6446: ~1,2 Вт на частоте 600 МГц, ~300 мВт в режиме ожидания, ~60 мВт в отключенном состоянии

Texas Instruments

«СКАНТИ Рус», «Компэл»

OMAP3525/30

Cortex™-A8 Plus До 600 МГц ARM, до Graphics + IVA (C64x+ 430 МГц DSP DSP + Accelerators

OMAP3525: ~790 мВт на частоте 600 МГц, ~170 мВт на частоте 125 МГц, ~2,5 мВт в режиме ожидания, ~0,5 мВт в отключенном состоянии OMAP3530: ~900 мВт на частоте 600 МГц, ~280 мВт на частоте 125 МГц, ~2,5 мВт в режиме ожидания, ~0,5 мВт в отключенном состоянии

Texas Instruments

«СКАНТИ Рус», «Компэл»

OMAP-L13x

ARM9 Plus C674x Fixed/ До 300 МГц ARM, до Floating-Point DSP 300 МГц C674x DSP

~500 мВт на частоте 300 МГц, ~62 мВт в режиме ожидания

Texas Instruments

«Радиоэлектроника»

TMS470

ARM7TDMI®

48, 60 МГц

Texas Instruments

«Радиоэлектроника»

Stellaris

Cortex M3

20, 25, 50, 80, 100 МГц

54 микроконтроллеры и DSP

Мощность потребления

www.elcp.ru

Прочая периферия

Рекомендуемое применение

Автоматика зданий и производств, охранно-пожарные Ethernet MAC и PHY, 3 CAN, 2 10-разрядных АЦП, 3 аналоговых компаратора, 8 выходов системы, торговое оборудование, системы контроля дви2 USB OTG, 3 UART, 2 I C, 2 SPI, расширенного ШИМ, 2 входа датчика положения, контролжения, игровые устройства, портативное медицинское I2S, EPI лер DMA, CRC-блок, датчик температуры. оборудование

Примечания Широкая номенклатура в семействе. Аппаратная библиотека и AES-таблицы в ПЗУ, поддержка динамической памяти

Ethernet MAC+PHY, CAN, USB 2 10-разрядных АЦП на 8 каналов, 1 MSPS, компараторы, Full Speed H/D/OTG, UART, датчик температуры, 8 выходов ШИМ, 2 входа квадратурI2C, I2S, EPI ного кодера

До 256 Кбайт флэш-памяти, Универсальный контроллер общего назначения. Управление 96 Кбайт SRAM, ОЗУ реальнодвигателями. Цифровые источники питания го времени

2 USB, последовательный порт, ШИМ, SDIO, SPI, DDR2

MPEG-4 SXVGA, кодер/декодер Камеры Video IP, бортовые развлекательные системы, видео30 кадров в секунду фоны, цифровые фоторамки JPEG 75 млн пикселов в секунду

USB Host, USB OTG, SPI, SDIO, поддержка LPDDR, система обработки видео

Кодер/декодер 24/30 кадров Переносные навигационные системы, одноплатные компьюв секунду теры, цифровая идентификация, принтеры, интеллектуальH.264 BP D1 кодер/декодер ные удаленные системы, игровые устройства 12/30 кадров в секунду

USB 2.0 OTG, USB 1.1 FS, 10/100 Ethernet, SATA, LCD Controller

Переносные аудиоустройства, переносные системы связи

USB 2.0, Ethernet, VPSS, MMC/SD, ATA, PCI

H.264 D1/Encode (DM644x) Видеокамеры, бортовые развлекательные системы, телеHD 720p H.264 BP Encode HD визионные приставки, видеофоны, преобразователи видео­ 1080i/p H.264 HP@L4 Decode изображения (DM646x)

USB Host, USB OTG, SPI, SDIO, поддержка LPDDR, система обработки видео

3D-графика с возможностью обрабатывать до 10 млн полигонов в секунПереносные навигационные системы, одноплатные компьюду, MPEG-4 D1 теры, цифровая идентификация, принтеры, интеллектуалькодер/декодер 24/30 ные удаленные системы, игровые устройства кадров в секунду H.264 BP D1 1кодер/декодер 12/30 кадров в секунду

USB 2.0 Host/Client/OTG, 10/100 Ethernet, контроллер LCD, MMC/SD, SATA, универсальный параллельный порт

MP3, AAC, WMA и кодек с программным подавлением акустического эхо

Профессиональная обработка аудио, музыкальные инстру- До 1800 млн операций менты, микшеры, системы контроля, системы анализа изо- с плавающей точкой в бражения, радиолокаторы секунду+J60

SPI, I2C, SCI, CAN, C2SI

До 32 каналов таймеров, 10-разрядный АЦП с количеством Промышленная автоматизация, медицинская техника, автоLQFP144, LQFP100, LQFP80 каналов до 16 мобильные приложения

Ethernet 10/100 MAC/PHY, CAN, USB HOST DEVICE OTG, UART, I2C, SPI, SSP, I2S, IEEE 1588

Микромощные и низкозатратные приложения: управление движением; 10-разрядный АЦП на 8 каналов, 10-разрядный ЦАП, до 4-х системы управления для зданий и сооружений; таймеров, до 8 каналов ШИМ, квадратурный кодер сетевые устройства и коммуникаторы; медицинские приборы и игровое оборудование

LQFP100, LQFP64, LQFP48, SOIC28

электронные компоненты  №7 2009

55 микроконтроллеры и DSP

Типы интерфейсов

Новое поколение 8-разрядных микроконтроллеров STMicroelectronics Александр Самарин, ведущий инженер, МИЭТ Компания STMicroelectronics заинтересована в расширении своего присутствия на российском рынке микроконтроллеров. Оптимальная архитектура, надежность, удобство для программирования и отладки, ориентация на приложения и, самое главное, цена продукции — позволяют компании надеяться на успех.

56

Рынок 8-разрядных микроконтроллеров оценивается сегодня примерно в 5 млрд долл. Это значительный прирост по сравнению с показателем 4 млрд долл. в 2007 г. Ожидается, что к 2011 г. эта цифра вырастет до 6,5 млрд долл., и в одном только секторе автомобильной электроники рост применения микроконтроллеров с 2007 по 2013 гг. составит 40%. Постоянно растет производительность, расширяется периферия микроконтроллеров, совершенствуются технология изготовления и архитектура. Однако ключевым параметром, своего рода доминантой выбора на рынке 8-разрядных микроконтроллеров, является цена. 8-, 16- и 32-разрядные микроконтроллеры STMicro­ elec­tronics благодаря превосходным параметрам и привлекательному соотношению цены и качества имеют хорошую репутацию у производителей электронной аппаратуры во всем мире. Спектр приложений микроконтроллеров STM очень широк — бытовая, медицинская и автомобильная электроника, промышленная автоматика. Микроконтроллеры STM давно используются для ответственных приложений, а также для работы в жестких условиях эксплуатации, где требуются очень большая надежность, помехоустойчивость и расширенный температурный диапазон. STMicroelectronics постоянно совершенствует уровень своей продукции, чтобы в условиях жесткой конкуренции сохранить лидирующие позиции на рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Этому способствует грамотная долговременная стратегия развития, направленная на удовлетворение потребностей рынка. Одним из значимых событий последних лет является разработка микроконтроллеров нового поколения STM8. Новая эффективная архитектура обеспечивает высокую производительность, приближая микроконтроллеры этой серии к уровню 16- и даже 32-разрядных микроконтроллеров. Были существенно улучшены параметры и расширена функциональность разработанной ранее серии STM7, ориентированной на бюджетные применения. Линейка микроконтроллеров STM8 нацелена на то, чтобы обеспечить максимальную производительность и быстрый выход на рынок при минимальной цене готового устройства. Архитектура микроконтроллера STM8 разрабатывалась параллельно и согласованно с архитектурой 32-разрядного микроконтроллера STM32. Микроконтроллеры STM32 появились осенью 2007 г. и сразу получили самые высокие оценки во многих авторитетных изданиях, а также в среде разработчиков встраиваемых приложений. Построенные на базе современного ядра ARM CORTEX-M3, микроконтроллеры STM32 обеспечивают сочетание высокой производительности, низкой потребляемой мощности и невысокой цены.

WWW.ELCP.RU

Платформа микроконтроллеров STM8 разрабатывалась параллельно с STM32. Технология и многие элементы платформы STM32, в частности периферийные модули, были использованы и в платформе STM8 с тем, чтобы обеспечить возможность миграции STM8 → STM32. Платформа STM8

Платформа STM8 была анонсирована в феврале 2008 г. В первой половине года были разработаны базовые ли­ней­ ки, и появились первые микроконтроллеры семейства STM8. Платформа состоит из процессорного ядра, блока син­хро­низации, супервизора питания, шины доступа к памяти, ОЗУ, флэш-памяти, EEPROM-данных, модуля-от­лад­ чика и интерфейса программирования, а также набора пе­ри­ферийных модулей. Платформа STM8 обеспечивает несколько семейств продуктов, каждый из которых оптимизирован под специальные области применения, включая автомобильную электронику, промышленную автоматику, низковольтную аппаратуру и аппаратуру с батарейным питанием. Каждое семейство STM8 платформы разработано с таким расчетом, чтобы максимально проявить достоинства новой архитектуры, включая высокую производительность, увеличение интеллектуальности (интеграции) структуры, а также обеспечить быстрый выход изделия на рынок, долгое время жизни и низкую стоимость конечной системы. Структура ядра процессорного блока

Высокая производительность STM8 обеспечивается использованием гарвардской архитектуры с 16-разрядными индексными регистрами и указателем стека, 16-Мбайтным линейно адресуемым адресным пространством, а также использованием прогрессивных методов адресации и других методов с целью оптимизации программирования на языке С, которые наряду с высокой про­из­водительностью обеспечивают и компактность кода. В гарвардской архитектуре используются независимые шины для инструкций и данных с возможностью одновременного чтения и записи в одном цикле. Основные характеристики процессорного ядра: – 32 вектора прерываний; – 16 индексных регистров и указатель стека; – 32-разрядная шина памяти; – трехступенчатый конвейер в цикле выборки и исполнения команд; – расширенная система команд (96); – аппаратный модуль деления (16/8→8); – аппаратный модуль умножения (8×8→16); – поддержка 8-разрядной арифметики со знаком; – расширенная система адресации, включая индексную адресацию;

– 10-кратное увеличение производительности; – уменьшение размера кода на 30% по сравнению с ST7. Конвейерная система обеспечивает в среднем 1,6 тактовых цикла для выполнения одной команды. При использовании тактового генератора с частотой 24 МГц обеспечивается производительность процессорного ядра на уровне 20 MIPS. Выбранная технология с проектными нормами 0,13 мкм обеспечивает высокий уровень интеграции, уменьшение размеров кристалла, а значит, и цены. С другой стороны, технология обеспечивает уменьшение потребляемой мощности и возможность для увеличения производительности, а также широкий диапазон питающих напряжений 1,65…5,5 В. Процесс чтения памяти программ не зависит от процесса записи данных и может проходить параллельно. Обеспечивается быстрый доступ к 32-разрядному адресному пространству. Не нужно использовать дополнитель­ ные циклы ожидания — цикл доступа всего 45 нс! Но­вая схемотехника портов ввода/вывода обеспечивает высокий уровень защиты от перенапряжений и тока короткого замыкания и не требует дополнительных элементов защиты, кроме токоограничительных резисторов. Платформа STM8 имеет встроенный модуль EEPROM для данных с высокой производительностью и большим числом циклов перезаписи по сравнению с внешними мик­ ро­с хе­мами EEPROM. EEPROM данных обеспечивает 80 тыс. циклов перезаписи при рабочей температуре 145°С. Время записи — 3 мс, возможна одновременная запись сразу 4 байтов для уменьшения времени ожидания или слежения. Флэш-память программ на кристалле имеет допустимый объем вплоть до 256 Кбайт. Технология обеспечивает

работу на высокой частоте с малым уровнем потребления. Еще одно достоинство технологии, особенно важное для сектора автомобильных приложений — расширение рабочего температурного диапазона до 145°С! Пока ни один из известных микроконтроллеров не обеспечивает такого диапазона. Особенности флэш-памяти:

– Boot ROM для загрузки кода через UART; – программирование 1 байта или блока/слова; – 128 байт программируется за 6 мс; – 6 бит кода коррекции ошибок для 32 бит данных (с коррекцией единичной ошибки); – действенный механизм защиты от считывания; – перепрограммирование в приложении, IAP и внутрисхемное программирование, ICP. Флэш-память позволяет обновлять версии ПО непосредственно на плате устройства как в процессе проектирования и отладки, так и при эксплуатации в конкретном приложении. Структура защиты памяти обеспечивает устойчивость к потере данных при пропадании питания в процессах программирования и стирания. Периферийные модули

Периферийные модули платформы STM8 полностью совместимы с периферийными модулями 32-разрядной платформы микроконтроллеров STM32. Совместимость с STM32 по периферии позволяет использовать ПО и библио­теки, созданные для STM32, а это, в свою очередь, обеспечивает возможность для перехода между платформами с целью повышения производительности, что дополняет номенклатуру семейства STM32.

электронные компоненты №7 2009

57

Рис. 1. Структура микроконтроллеров линеек Performance и Access для серии STM8S Серии Perfomance/AcceSs в линейке STM8

Цена кристаллов STM8 в большей степени зависит от размера встроенной флэш-памяти и в несколько меньшей степени — от наличия той или иной периферии. Компания STМ выпустила две дополняющие друг друга серии Access и Performance. Серия Access предназначена для бюджетных приложений, не требующих максимальной производительности и расширенной периферии. Объем флэш-памяти в этой серии до 32 Кбайт, по соотношению «цена-функциональность» эти микроконтроллеры оставляют позади большую часть 8-разрядных микроконтроллеров других фирм. Серия Performance, полностью повторяя серию в части раскладки выводов корпусов и широты номенклатуры, предлагает больше возможностей, имея на борту дополнительные АЦП, специальные ШИМ-таймеры и CAN 2.0B. Объем флэш-памяти увеличен для этой серии до 128 Кбайт. Базовый набор периферийных модулей есть в структуре (см. рис. 1) всех членов линейки Access и Performance. Варьируемыми параметрами, определяющими типы микроконтроллеров линейки, являются объемы флэш-памяти программ, EEPROM данных, ОЗУ, а

58

также наличие дополнительных периферийных модулей. Резидентными для всех членов Access и Performance являются процессорное ядро, шина доступа, модуль синхронизации, модуль супервизора питания. Собственно, состав линейки и функциональную ориентацию определяют объем флэш-памяти программ, объем ОЗУ; набор периферийных модулей для подкласса — общий. Подкласс Performance имеет дополнительные периферийные модули. Дополнительные модули имеют члены семейства, ориентированные на автомобильные и индустриальные приложения. Совместимость «корпус в корпус»

Продолжительность жизни разработки обеспечивается запасом по функциональности, масштабируемостью, возможностью модернизации и совместимостью выводов между членами линейки. При разработке конструкции корпусов для линейки STM8 фирма STM предусмотрела такую топологию выводов, которая обеспечила бы удобство при усовершенствовании проектов. Совместимость выводов при масштабировании корпусов показана на рисунке 2. Далеко не у всех производителей предусмотрена такая удобная топология выводов. При использовании старших моделей микроконтроллеров с большим числом выводов для модернизации устройств сокращается время на разработку печатной платы. При проектировании можно заранее предусмотреть возможность расширения или создавать несколько разных модификаций продуктов с разными контроллерами по производительности и периферии. Особенности системы тактирования и синхронизации в STM8:

Рис. 2. Совместимость выводов при масштабировании корпусов

WWW.ELCP.RU

– использование системы с резервированием источника синхронизации с мониторингом отказов внешнего источника тактирования; – высокоскоростной внутренний RC-генератор, HSI RC на 16 МГц, калиброванный на заводе с точностью ±2%, с возможностью программной подстройки до ±1%; – низкоскоростной внутренний RC-генератор, LSI RC на 128 кГц, калиброванный на заводе с точностью ±5%; – переключение главной тактовой частоты: возможность быстрого и легкого переключения источника тактирования за 2 мкс; – управление тактированием периферии: возможность включать и выключать тактирование каждого периферийного блока;

– конфигурируемый выход тактовых импульсов; – высокий уровень безопасности от пропадания тактов или проскакивания дополнительных «иголок» во входном тактовом сигнале. Повышение помехоустойчивости

Повышенная помехоустойчивость — очень важный параметр для ответственных применений, таких как промышленная электроника, автоматика, автомобильная электроника, а также для устройств, обеспечивающих жизнедеятельность человека. Степень помехоустойчивости в архитектуре STM8 обеспечивается на различных уровнях за счет использования нескольких узлов — схемы переключения на резервный источник тактирования, супервизора питания. Повышенная устойчивость к ЭМИ выполняется за счет оптимального топологического проектирования кристалла. Обеспечена защита входоввыходов от перенапряжений и коротких замыканий. Не требуется установка дополнительных диодов и стабилитронов — достаточна установка токоограничительного резистора. Стоить сказать и об устойчивости при нарушениях питания в процессе записи в EEPROM или флэш. Для коррекции одиночных ошибок используется код коррекции ошибок в памяти. В структуре микроконтроллера есть супервизор питания, который обеспечивает сброс при включении питания (Power On Reset) и при понижении питания (Brown Out Reset). Архитектура микроконтроллеров STM8 соответствует классу В по стандарту IEC60335

С октября 2007 г. вступило в силу новое — четвертое издание стандарта IEC60335, в котором изложены более жесткие требования к электронным блокам управления, использующим программное обеспечение. Классификация ПО и требования к нему приведены в другом международном стандарте IEC 60730-1. На территории РФ действует аналогичный стандарт ГОСТР Р МЭК 60730-1, являющийся полной аутентичной версией международного. В приложении Н «Требования к электронным управляющим устройствам» ПО разделяется на три класса: А, В и С. Если ПО не влияет на безопасность применения оборудования, то его относят к классу А (регуляторы освещения, таймеры, реле времени, комнатные термостаты). Если же ПО отвечает за безопасность работы управляемого оборудования, то его относят к классу В. Если ПО отвечает за безопасность устройства в особых случаях, то его относят к классу С. В устройствах с ПО классов В и С должны быть реализованы аппаратные или программные методы тестирования внутренних ресурсов микроконтроллера. Использование микроконтроллеров STM8 существенно облегчит сертификацию оборудования класса В на соответствие указанным стандартам, т.к. многие их положения учтены на уровне архитектуры. На аппаратном уровне в структуре микроконтроллера STM8 заложена возможность тестирования внутренних узлов: процессора, памяти и периферии. Большая часть существующих микроконтроллеров других производителей с аналогичной производительностью и периферией не имеет такой возможности. Особенности архитектуры микроконтроллеров STM8 в части соответствия стандарту МЭК 60335 в первую очередь обеспечены наличием системы синхронизации с резервным источником и системы контроля выполнения программы на основе двух сторожевых таймеров. Один сторожевой таймер носит название оконного. Он синхронизируется системным сигналом синхронизации и предназначен для оценки временных характеристик выполняемых ветвей программы. На аппаратном уровне он реализован как 7-разрядный циклический счетчик обратного счета. Данный сторожевой таймер генерирует

сигнал сброса при выходе за пределы одной из двух границ (одна фиксированная, другая — программируемая). Другой независимый сторожевой таймер синхронизируется отдельным встроенным низкочастотным генератором и отличается большей степенью автономности и защищенности. Благодаря работе от отдельного генератора он позволяет реагировать на сбои в основной системе синхронизации. По запросу компания ST бесплатно предлагает библиотеку подпрограмм самотестирования внутренних ресурсов МК STM32, таких как ОЗУ, флэш-память, внешняя синхронизация и ЦПУ. Данная библиотека прошла процедуру сертификации в немецком институте электротехники, электроники и информатики (VDE). Использование этой библиотеки не только упростит разработку продукции, но и ускорит ее сертификацию. Функция управления энергопотреблением в STM8 реализована также как в большинстве микроконтроллеров других производителей: за счет программированного понижения частоты, останова тактирования, режима Sleep, помодульного отключения отдельных периферийных блоков, не задействованных в данный момент времени. Встроенный модуль отладки и интерфейс программирования

Для отладки и программирования в STM8 используется четырехпроводной интерфейс SWIM (Single Wire Interface Module) и встроенный отладчик (Debug Module). Первое, что следует отметить, отладчик не использует при своей работе ресурсов ядра. Выполнение кода происходит в масштабе реального времени, а для чтения RAM и регистров отладчик использует пустые машинные циклы. При работе отладочного модуля нет ограничений на область памяти и адресов. Не требуется подпрограмма монитора. Не требуется также переназначение прерываний. Число контрольных точек останова неограниченно. Отладочные наборы для проектирования:

– STICE-SYS001– высокопроизводительный полнофункциональный эмулятор; – STM8/128-EVAL — оценочная плата с полным набором периферии; – STM8/128-SK/RAIS — стартовый набор, включающий все необходимое для начала разработки; – STX-RLINK — средство для программирования и отладки. Среда проектирования, аппаратная библиотека и поддержка

В качестве среды для проектирования могут использоваться как ПО, разработанное самой фирмой STM (www.st.com/stm8), так и продукты других производителей, например фирмы Raisonance (www.raisonance.com): – ST Visual Develop (STVD) — бесплатная среда проектирования; – ST Visual Programmer (STVP) — бесплатное ПО для МК; – STM8S — аппаратная библиотека и примеры; – STM8S IEC 60335 Class B — совместимая библиотека, одобрена VDE; – Raisonance RIDE — бесплатная среда проектирования с RBuilder и RFlasher; – Raisonance C компилятор, 16 Кбайт, бесплатно; – Cosmic C компилятор, 16 Кбайт, бесплатно. Семейство микроконтроллеров STM8S

В июне 2008 г. была представлена линейка STM8S (Standard — стандартное исполнение), ориентированная как на обычные, так и на индустриальные приложения. Планировалось, что серия STM8S станет 8-разрядным

электронные компоненты №7 2009

59

– питание процессорного ядра от внутреннего стабилизатора 1,8 В; – рабочий температурный диапазон: –40…125°С; – максимальная частота ядра 24 МГц; – 10 тыс. циклов перезаписи флэш-памяти программ; – 300 тыс. циклов перезаписи EEPROM; – 4 режима пониженного энергопотребления (5 мкА в режиме HALT); – калиброванный высокочастотный RC-внутренний генератор с 16 МГц с программной подстройкой до уровня точности частоты до ±1%; – IrDA- и Smart Card-интерфейсы; – SWIM для быстрого программирования (за 6 секунд прошивка 128 Кбайт). – Корпуса: -  LQFP — 80, 64, 48, 44, 32; -  LQFN — 48, 32, 20; -  TSSOP 20. Архитектура микроконтроллера STM8S для ответственных приложений представлена на рисунке 4. Рис. 3. Линейка микроконтроллеров STM8S

предложением для ассортимента изделий ST6, ST7, ST5 и ST9, разработанных ранее, и в дальнейшем их полностью заменит. Линейка микроконтроллеров STM8S представлена на рисунке 3. Ключевые особенности STM8S:

– питание: 3…5,5 В;

Рис. 4. Архитектура микроконтроллера STM8S для ответственных приложений

60

Рис. 6. Линейка микроконтроллеров серии STM8A для автомобильных приложений

WWW.ELCP.RU

Линейка микроконтроллеров STM8A для автомобильного сектора

Архитектура ST8A (Automotive — автомобильный сектор) мало чем отличается от архитектуры стандартного исполнения STМ8S (см. рис. 5). Расширен диапазон рабочих температур — есть модификации с диапазоном до 145°С. Добавлены периферийные модули CAN. На рисунке 6 показана структура линейки микросхем STМ8A для автомобильных приложений.

Рис. 5. Архитектура STM8A для автомобильных применений

Рис. 7. Эволюция микроконтроллеров серии ST72 Сравнение архитектуры STM8А и ST7

Семейство STM8А предназначено для модернизации семейства ST72. Что добавилось в STМ8A по сравнению с ST72? В линейке ST7 DATA EEPROM присутствует только в некоторых типах микросхем. В ST72 объем памяти флэш и ROM ограничен значением 60 Кбайт. Производительность ST72 — около 2 MIPS. Технологические нормы КМОП-про­ цесса — 0,5 мкм. Для STM8A (следующего поколения линейки автомобильного сектора) используется процесс с технологическими нормами 0,13 мкм. До 10 MIPS возросла производительность процессорного ядра, расширен диапазон питающих напряжений — 3…5 В. Питание флэш-памяти программ производится теперь от одного источника напряжения. Объем флэш-памяти программ возрос до 256 Кбайт. EEPROM данных присутствует в каждом члене семейства. Расширена периферия, добавлены новые интеллектуальные функции, которые, в свою очередь, расширили диапазон применений; значительно повышена устойчивость микросхем для работы в жестких условиях эксплуатации и в условиях индустриальных помех. Эволюция микроконтроллеров серии ST72 отражена на рисунке 7. Линейка STM8L для сектора устройств с батарейным питанием

Диапазон питающих напряжений для данной линейки — 1,65…3,6 В. Уровень потребления также значительно снижен. Для этой серии микроконтроллеров регламентирован очень низкий уровень потребления на уровне 150 мкА/МГц, а в режиме останова потребление составляет 300 нA; при этом будут сохраняться состояние ОЗУ и регистров. Первые образцы этой серии уже доступны. Новые члены семейства линейки STM8L расширяют возможности платформы для специфических приложений, в которых важно малое потребление и обеспечивается достаточно высокая производительность. К ним относятся системы охранной сигнализации, беспроводные датчики, медицинские приборы с батарейным питанием (например, приборы для измерения кровяного давления, измерители уровня сахара в крови, термометры, ингаляторы, измерители уровня холестерина, см. рис. 8), электронные игры, пульты ДУ, GPS-устройства, мобильные аксессуары. Новые серии линейки микроконтроллеров STM7

STM продолжает производить и линейку очень дешевых 8-разрядных микроконтроллеров, архитек-

Рис. 8. Медицинские портативные приборы, в которых использованы микроконтроллеры серии STM8L

тура которых была разработана ранее и не претерпела изменений. Среди них следует отметить ST7FOX и ST7Lite, которые предназначены для тех областей применений, где использование STM8 нецелесообразно вследствие избыточных возможностей и более высокой цены. У ST7FOX и ST7Lite меньше периферии, а также меньше производительность, объем программной памяти и ОЗУ. Они не претендуют на области ответственных применений. Семейства имеют два основных достоинства: низкая цена и малое потребление. Семейство ST7FOX 8-разрядных микроконтроллеров ориентировано на сектор очень дешевых устройств бытовой электроники, приборов с батарейным питанием. Семейство представлено линейкой микроконтроллеров, имеющих 2…8 Кбайт программной флэш-памяти и исполненных в 8…32-выводных корпусах. Простая структура и доступная бесплатная среда проектирования делают их очень привлекательными для разработчиков. По цене они могут успешно конкурировать с аналогичными в плане функциональности 8-разрядными микроконтроллерами Microchip и Atmel. Например, мелкооптовая цена микроконтроллера этой серии ST7FOXK2T6 в корпусе LQFP32 составляет всего около 40 руб. Основные параметры микроконтроллеров семейства ST7FОX:

– питание: 5 В; – объем программной флэш-памяти: 2…8 Кбайт; – корпуса: 8…32-выводные (DIP, SOIC); – калиброванный внутренний RC-генератор; – быстрый 10-разрядный АЦП; – наличие 8-, 12- и 16-разрядных таймеров; – интерфейсы I²C, SPI; – встроенный интерфейс для внутрисхемного программирования и отладки; – пять режимов энергопотребления. Архитектура семейства микроконтроллеров ST7Lite базируется на той же платформе, что и ST7FOX. Это семейство также характеризуется очень низкой ценой, совмес­ тимостью выводов и периферии. Области применения — аппаратура с батарейным питанием. Особенности архитектуры ST7Lite

Предполагается, что семейство ST7LIte может использоваться как вариант модернизации ST7FOX. Есть и определенные отличия. Для семейства ST7Lite предусмотрены исполнения в низкопрофильных и

электронные компоненты №7 2009

61

Области применения микроконтроллеров ST7Lite — управление освещением, охранные системы, домашняя бытовая техника, датчики, кондиционеры, компь­ютеры, измерительные приборы, сенсорные сис­ темы, управление электродвигателями, контроллеры для интеллектуальных DC/DC-преобразователей, игрушки, электроинструменты. Для этой серии разработано несколько типов оценочных наборов, ориентированных на разные области применений: – ST7DALI — оценочный набор управления освещением; – ST7 USB — оценочный набор с USB-интерфейсом; – ST7232x & ST72521 — базовый отладочный набор. Инструментальные наборы для разработки:

Рис. 9. Архитектура STM7Lite

– ST7Ultralite Primer — очень дешевый набор разработки для ST7FLITEUS с интегрированной поддержкой отладки и программирования через USB; – Raisonance REva — универсальная платформа для оценки и проектирования модульных устройств на базе 8…32-разрядных микроконтроллеров STM; – ST7MC Motor Control Kit — базовая платформа для реализации функций управления электроприводом; – ST7Lite2 Starter Kit — набор разработки для ST7FLITE1 и ST7FLITE2. Заключение

Рис. 10. Классификация линейки микроконтроллеров ST7Lite

62

недорогих 8…32-выводных микрокорпусах UltraLite. Например, корпус UltraLite DFN8 имеет высоту всего 0,9 мм и площадь менее 16 мм 2 . Температурный диапазон: –40…125°C. Расширен и диапазон питающих напряжений: 2,4…5,5 В. Предусмотрено несколько возможных источников для тактирования процессора, а также интеллектуальная система управлением при переключении тактирования от одного источника синхронизации на другой. Имеется также AWU (Auto Wake Up) — микромощный генератор для программируемого таймера просыпания из режима Sleep. Другие особенности: – точный внутренний RC-генератор (в отличие от RC-ге­ не­ратора в ST7FOX не требует калибровки); – до 10 каналов 10-разрядного АЦП со временем преобразования 3,5 мкс; – 8-разрядный сторожевой таймер; – 12-разрядный таймер со схемой сравнения, поддержкой ШИМ, 16-разрядный таймер; – детектор пропадания питания; – 5 режимов энергосбережения; – интерфейсы: UART, SPI, I2C, DALI; – аналоговые компараторы с внешним или внутренним источником опорного напряжения; – супервизор питания. Архитектура STM7Lite изображена на рисунке 9. На рисунке 10 показана классификация микроконтроллеров ST7Lite в зависимости от объема памяти и типа корпуса.

WWW.ELCP.RU

Даже сегодня, когда 32-разрядные микроконтроллеры имеют невысокую стоимость, использование 8-разрядных микроконтроллеров не потеряло своей актуальности для бюджетных приложений. Выпустив на рынок семейство 8-разрядных микроконтроллеров STM8, компания STMicroelectronics несколько изменила свойственный ей приоритет работы с большими ключевыми заказчиками и специализированными продуктами. Новая линейка STM8, действительно интересного и конкурентоспособного продукта компании, ориентирована на массовый рынок и позволит разработчикам использовать самые современные технологии и продукты. Для недорогих приложений, где наиболее актуальной является не производительность, а цена, предназначены более простые 8-разрядные микроконтроллеры серий STM7FOХ и STM7Lite. В секторе 8-разрядных активно используемых в России микроконтроллеров доминирует продукция фирм Microchip и Atmel. Фирма STM заинтересована в том, чтобы расширить свое присутствие и на рынке микроконтроллеров в России. Оптимальная архитектура, надежность, удобство для программирования и отладки, ориентация на приложения и, самое главное, цена, позволяют надеяться на успех в продвижении на российском рынке микроконтроллеров. Микроконтроллеры перспективных серий уже доступны в России. Есть отладочные средства, программная среда разработки, наборы для разработчиков. Не уступая в развитости периферии и производительности, малом потреблении, аналогичные по классу (число выводов, память, периферия, потребление) микроконт­ роллеры STM имеют на 15—20% меньшую стоимость, чем микроконтроллеры некоторых других производителей.

Литература 1. ST7Lite family Small-scale, user-friendly microcontrollers optimized for demanding applications. February, 2008. 2. Александр Бородулин. STM32 — универсальное решение на ARM-ядре//Новости электроники, №8, 2008.

Микроконтроллерные модули с развитым интерфейсом «человек–машина» Владимир Бродин (brodin@terraelectronica.ru), Игорь Булатов, Александр Гурин, Петр Перевозчиков В статье рассматриваются встраиваемые микроконтроллерные модули компаний Omron, Garz&Fricke и «Терраэлектроника», имеющие развитые возможности интерфейса «человек–машина» (HMI) и прежде всего, формирования цветных графических изображений. Анализируются особенности HMI из серий NS Omron, рассмотрены HMI моделей NESO, JUPITER и CALISTO Garz&Fricke, а также представлены встраиваемые модули TE-LPC2478LCDх.х с дисплеями 3,5” и 5,6” производства «Терраэлектроника». Отечественные модули сочетают функции HMI c возможностями прямого использования аппаратных ресурсов микроконтроллера ARM7. Они представляют собой завершенные решения, готовые для установки в изделия в качестве ядра системы управления. Современные достижения микроэлектроники сущест­ венно снизили цены 32-разрядных высокопроизводитель­ ных микроконтроллеров и цветных графических дисплеев. Это открыло дорогу для ускоренного развития средств взаимодействия человек–машина (HMI — Human Machine Interface). Многим исследователям эта область науки и техники представляется одной из важнейших для развития цивилизации, поэтому и рынок HMI оценивается как весь­ ма перспективный. Ведущие производители средств автоматизации про­ мышленного оборудования оперативно отреагировали на эту ситуацию и предложили новый класс встраивае­ мых модулей с дисплеями, который получил название HMI. Одной из таких компаний является Omron. Из боль­

шой номенклатуры интеллектуальных терминалов компа­ нии рассмотрим особенности HMI серии NS. Важнейшие параметры моделей NS8 и NS5 из этой серии приведены в таблице 1. Другим известным производителем HMI является компания Garz&Fricke. В таблице 1 приведены основные характеристики ее HMI, выполненных на осно­ ве одноплатных контроллеров (SBC) и оснащенных TFTдисплеями. Компания «Терраэлектроника» в рамках программы соз­ дания собственной продукции разработала и предлагает рынку два встраиваемых модуля на основе ARM7 микро­ контроллера LPC2478 (NXP) и TFT-дисплеев с диагональю 3,5” и 5,6”. Эти бюджетные изделия призваны удовлетво­ рить потребности отечественных разработчиков и произ­

Таблица 1. Характеристики HMI производства Omron, Garz&Frike и «Терраэлектроники» HMI-модуль

Производитель

Дисплей

NS8

Omron

8,4” TFT 640×480

NS5

Omron

NESO 5,7 NESO 7,0

Микроконтроллер, память

Интерфейсы Ethernet, 2×USB, VIDEO input

Компоненты SAP

5,7” TFT 320×240 Память экранов 20 Мбайт, внутренняя память 32768 слов + или CTN монохромный 32768 бит и энергонезависимая память 8192 слов + 8192 бит

Ethernet

Компоненты SAP

Garz&Fricke

5,7” VGA 640×480 7,0” WVGA 800×480

i.MX27 ARM926 400 МГц Freescale 128 Мбайт RAM 256 Мбайт ROM

RS-232, Ethernet, USB, SD, Audio Windows CE, Linux

Garz&Fricke

5,7” QVGA 320×240 VGA 640×480

i.MX31 ARM11 532 МГц Freescale 128 Мбайт RAM 128 Мбайт ROM

RS-232, Ethernet, USB, CAN, SD, SDIO, A/D I/O, I2C, SPI, Audio

Garz&Frike

10,4 VGA 640×480

i.MX31L ARM11 532 МГц Freescale 128 Мбайт RAM 128 Мбайт ROM

RS-232, Ethernet, USB, SD, Audio Windows CE, Linux

TE-LPC2478LCD3.5 «Терраэлектроника»

3,5” TFT 320×240

LPC2478 (ARM7 72 МГц, 512 Кбайт флэш, 98 Кбайт SRAM) NXP На плате 4 Мбайт NOR-флэш, 32 Мбайт RAM

USB Device, USB-UART, SD/MMC, JTAG 160 линий портов МК

ПО на языке С

TE-LPC2478LCD5.6 «Терраэлектроника»

5,7” TFT 640×480

LPC2478 (ARM7 72 МГц, 512 Кбайт флэш, 98 Кбайт SRAM) NXP На плате 4 Мбайт NOR-флэш, 32 Мбайт RAM

Ethernet, USB Host/Device, CAN, USB-UART, SD/MMC, JTAG 160 линий портов МК

ПО на языке С

JUPITER 5,7 Ganymed Europa CALLISTO 10,4

Память экранов 60 Мбайт, внутренняя память 32768 слов + 32768 бит и энергонезависимая память 8192 слов + 8192 бит

ПО

Windows CE, Linux

электронные компоненты №7 2009

63

Рис. 1. HMI серии NS в системе автоматизации от Omron

Рис. 2. HMI-модели NS8 компании Omron с дисплеем 8,4”

Рис. 4. HMI-модели NESO от Garz&Fricke (вид со стороны интерфейсных разъемов)

64

водителей встраиваемых систем; их характеристики также приведены в таблице 1. Встраиваемые модули компаний Omron, Garz&Frike и «Терраэлектроника» реализуют различные подходы к построению комплекса аппаратных и программных средств, осуществляющего взаимодействие «человек–машина». Компания Omron в серии модулей NS развивает направ­ ление традиционных интеллектуальных терминалов иерархических систем автоматизации производства. Для этих модулей функция HMI является основной, их особен­ ностью является общение с другими компонентами систе­ мы (контроллерами SYSMAC CJ2 и компьютером верхнего уровня) только через скоростные интерфейсы Ethernet и USB (см. рис. 1). Важным достоинством HMI серии NS явля­ ется возможность их программирования с использовани­ ем развитого набора программных компонентов SAP. Компоненты SAP — это готовые отлаженные про­ граммные модули, выполняющие обмен данными и

WWW.ELCP.RU

Рис. 3. HMI-модели NESO от Garz&Fricke с дисплеем 5,7”

визуализацию информации. При их использовании создание программы интерфейса «человек-машина» сводится к компоновке графических объектов на экране и установлению связей между ними. HMI серии NS отли­ чаются между собой, в основном, дисплеями (5,7…15”). Параметры памяти и набор интерфейсов у моделей почти одинаковые. Вид HMI модели NS8 компании Omron пока­ зан на рисунке 2. Компания Garz&Fricke в категории HMI производит встраи­в аемые модули, которые являются комбинаци­ ей одноплатных компьютеров (SBC) и TFT-дисплеев. По су­щест­ву, HMI является одной из возможностей этих мо­ду­ лей, которые, кроме того, способны функционировать и как обычные программируемые контроллеры (PLC — Programmable Logic Controller). Garz&Fricke разработала три типа SBC на микроконтроллерах Freescale: NESOcore, CALLISTOcore и ADELAIDEcore. NESOcore выполнен на микроконтроллере i.MX27, кото­ рый имеет ядро ARM926 и функционирует на частотах до 400 МГц. На плате установлена память DDR RAM объемом 128 Mбайт и NAND-флэш объемом 256 Mбайт. Процессор способен декодировать файлы MPEG (H.263/H.264) с качеством D1. Совместно с одноплатным компьютером NESOcore могут использоваться два типа дисплеев: 5,7” VGA с разрешением 640×480 точек (см. рис. 3) и 7,0” WVGA с разрешением 800×480 точек. Дисплеи обеспечивают яркость 400 Кд/м² и 250 Кд/м², соответственно. HMI NESO имеют несколько скоростных интерфейсов. Это Ethernet 10/100, USB-host и USB OTG (оба 480 Мбит/с), RS-232, слот SD-карты формата SDHC, аудиовыход. Разъ­емы интер­ фейсов выведены на верхнюю крышку корпуса (см. рис. 4).

Рис. 5. SBC-модели ADELAIDEcore от Garz&Fricke

Рис. 6. HMI из серии JUPITER от Garz&Fricke на базе SBC ADELAIDE

66 а)

б) Рис. 7. HMI-модели CALLISTO от Garz&Fricke c дисплеем 10,4”: а) вид дисплея; б) вид со стороны интерфейсных разъемов

WWW.ELCP.RU

Вес модуля с дисплеем 5,7” составляет 420 г, рабочий тем­ пературный диапазон 0...60°С. Одноплатный компьютер ADELAIDEcore (см. рис. 5) раз­ работан для комплексирования промышленных, автомо­ бильных и других систем с повышенными требованиями по производительности на мультимедийных приложени­ ях и устойчивости к внешним воздействиям. Он выполнен на микроконтроллере i.MX31 c ядром ARM1136JF-S, кото­ рый функционирует на частотах до 532 МГц, имеет встро­ енный контроллер ЖКД (800×600 точек, 3D-ускоритель), энкодер MPEG4, аудиокодек AC97, интерфейс видеока­ меры, отличается малым потреблением (600 мА) и рас­ ширенным температурным диапазоном (–30…85°C по запросу). Процессор имеет развитые механизмы защиты информации, скоростные интерфейсы Ethernet (SMSC 9215, 10/100, Auto MDI-X) и USB (USB OTG 480 Mбит/с, USB Host 480 Mбит/с, USB Host 12 Mбит/с). Присутствует большой набор последовательных интерфейсов: 5×UART, 3×I2C, 3×CSPI, FIR, SIM, 1-Wire. Разработчику доступны также 10-разрядный АЦП и 24 линии портов микрокон­ троллера. Таким образом, кроме обращения ко всему SBC ADELAIDEcore как к единому блоку через универсальные интерфейсы, имеется возможность обратиться внутрь блока и прямо использовать часть аппаратных ресурсов микроконтроллера. С применением SBC ADELAIDEcore компания Garz&Fricke выпускает два типа HMI. При использова­ нии 5,7”-дисплея QVGA 320×240 точек HMI называет­ ся Ganimed, а при использовании 5,7”-дисплея VGA 640×480 точек HMI называется Europa. Общее назва­ ние HMI этой группы — Jupiter. Новые имена при­ своены, поскольку SBC используется в комбинации с пла­той-носителем (см. рис. 6). За счет этого появляются но­вые функции, в частности гальванически развязанный порт CAN. Одноплатный компьютер CALLISTOcore разработан для HMI торговых автоматов, научных и медицинских приборов, других приложений, которые требуют ото­ бражения большого количества объектов на довольно большом экране. Он выполнен на микроконтроллере i.MX31L, который имеет ядро ARM1136 и функционирует на частотах до 532 МГц. На плате установлена память DDR RAM объемом 128 Mбайт и флэш-ROM объемом 128 Mбайт (максимум 256 Mбайт и 1 Гбайт), интерфейсы Ethernet, USB (480 Mбит/с), RS-232, слот SD (HC), аудио­ выход. HMI CALLISTO (см. рис. 7) представляет собой комбинацию SBC CALLISTOcore с дисплеем 10,4” (разре­ шение 640×480 точек, яркость 450 Кд/м²). Все HMI компании Garz&Fricke способны работать под управлением операционных систем Windows CE или Linux, что значительно расширяет возможности разработки ПО для них. Важным аспектом встраивае­ мых систем управления является их конструктивное исполнение. HMI компании Garz&Fricke выпускаются в закрытом исполнении (пластмассовый корпус) и в виде открытых модулей (см. рис. 3, 4, 6, 7). В обоих вариантах исполнения имеется алюминиевая рамка с отверстиями для установки HMI в терминал или технологическое обо­ рудование. Компания «Терраэлектроника» разработала и пред­л агает рынку два встраиваемых модуля на ос­н ове ARM7 микроконтроллера LPC2478 (NXP) и TFT-дис­п ле­е в с диагональю 3,5” и 5,6”. Модули проектировались как бюджетные решения встраивае­ мых систем управления терминалами и мобильными контрольно-измерительными приборами с расширенны­ ми возможностями отображения цветной графической информации. Использование ARM7 микроконтроллера подразумевает визуализацию данных в виде статических

изображений или последовательности изображений в режиме анимации. Особенностью модулей TE-LPC2478LCDx.x является полный трехуровневый доступ ко всем аппаратным и про­ граммным ресурсам: – все порты микроконтроллера LPC2478 выведены на контактные площадки и доступны для использования в системе управления; – обмен с модулями может осуществляться с использо­ ванием интерфейсов Ethernet, USB и через мост USB-UART; – для управления может использоваться сенсорный экран дисплея. Модуль TE-LPC2478LCD5.6 (см. рис. 8) представляет собой комбинацию SBC на основе 32-разрядного микро­ контроллера LPC2478 и цветного 5,6”-дисплея с сенсор­ ным экраном. Модуль реализует преимущества микро­ контроллера LPC2478, старшей модели семейства ARM7 от NXP: производительное ядро с быстрой выборкой кода из внутренней флэш-памяти (512 Кбайт), встроен­ ный контроллер TFT-дисплея, пять 32-разрядных портов (160 линий ввода/вывода), многочисленные периферий­ ные блоки и интерфейсы. Микроконтроллер LPC2478 соответствует всем возможностям младших моделей семейства ARM7 от NXP. На плате SBC установлен микроконтроллер LPC2478FBD208 в 208-выводном корпусе, микроми­ ниатюрный разъем дисплея (40 линий, шаг 0,5 мм), внешняя память SDRAM и NOR-флэш для работы с изо­ бражениями, слот карты SD/MMC для хранения файлов данных и изображений, порт Ethernet, порты USB-host и USB-device 2.0, мост USB-UART и разъем JTAG для загрузки и отладки программ. SBC в этом составе реа­ лизует оптимальный для многих приложений набор функций, который может быть увеличен с помощью плат расширения. На плате SBC все порты микроконтроллера выведены на две трехрядные группы контактных площадок. На них, в т.ч., доступны интерфейсы UART, CAN, I2C, SPI, SSP, I2S микроконтроллера. Штыревые разъемы, установлен­ ные в отверстия контактных площадок, могут служить для подключения плат расширения. В качестве внешней памяти на плате SBC установлена NOR флэш-память объемом 32 Mбит и SDRAM объемом 256 Mбит. Внешняя память используется при формировании изображений на дисплее. Слот карты SD/MMC часто устанавливается в интеллек­ туальных модулях графических дисплеев для хранения файлов изображений. Плата имеет порты Ethernet, USBhost и USB-device. Мост USB–UART позволяет загружать код программы во внутреннюю память микроконтроллера. Для отладки имеется разъем JTAG формата 2×10 выво­ дов. Таким образом, по сравнению, например, с SBC ADELAIDEcore модуль TE-LPC2478SLCD5.6 позволяет прямо использовать не часть, а все аппаратные ресурсы микро­ контроллера. Разработчику доступны исполняемые коды тести­ рующих программ модуля. Применение тестирующих программ описано в документе «Руководство пользо­ вателя». Таким образом, плата может быть проверена в любой момент в процессе эксплуатации. На прилагаемом компакт-диске находится несколько демонстрационных программ в виде проектов для среды программирования IAR Workbench с исходными текстами. Модуль TE-LPC2478LCD5.6 позволяет разработчику получить бюджетное решение 32-разрядной микро­ контроллерной встраиваемой системы сбора и обра­ ботки информации, передачи данных по скоростным каналам, выдачи циклограммы сигналов управления, формирования изображений на цветном графическом

а)

б) Рис. 8. Модуль TE-LPC2478LCD5.6 с цветным графическим 5,6''-дисплеем (разрешение 640×480 точек, сенсорный экран): а) вид дисплея; б) вид платы

дисплее с разрешением промышленного стандарта, интерактивной связи с оператором через сенсорный экран. Проверенная схемотехника наиболее сложной и быстродействующей части встраиваемой систе­ мы, оптимизированная топология платы, наличие функций отладки позволяют использовать модуль TE-LPC2478SLCD5.6 как при макетировании на этапе разработки, так и в составе серийной системы управ­ ления. Модуль TE-LPC2478LCD3.5 представляет собой комбинацию более бюджетной версии SBC на основе LPC2478 и цветного 3,5”-дисплея с сенсорным экраном. На плате младшей модели отсутствуют порты Ethernet и USB-host, установлен иной разъем дисплея. Но все порты микроконтроллера также выведены на две трех­ рядные группы контактных площадок, и посадочное место для плат расширения идентично старшей моде­ ли. Конструкция модулей TE-LPC2478LCDx.x представ­ ляет собой жестко соединенную сборку из платы SBC и платы-носителя дисплея, связанных кабелем. По углам конструкции имеются отверстия для крепления. Размер модуля TE-LPC2478LCD5.6 составляет 102×142×30 мм, а модуля TE-LPC2478LCD3.5 — 79×142×30 мм. Рассмотренные в данной статье микроконтроллерные модули и HMI могут быть использованы для комплекси­ рования широкого набора изделий — от систем автома­ тизации в промышленности до мобильных навигаторов и контрольно-измерительных приборов. Приобрести, заказать модули, получить техническую информацию и консультации можно в компании «Терраэлектроника» (www.terraelectronica.ru).

электронные компоненты №7 2009

67

Однокристальный POL-преобразователь TPS54620 для телекоммуникационных и вычислительных систем Владимир Голышев, технический консультант, ИД «Электроника» В статье кратко рассказывается о новом POL-преобразователе компании Texas Instruments — самом миниатюрном в отрасли понижающем DC/DC-преобразователе со встроенными силовыми ключами. Новая микросхема DC/DC-преобразователя TPS54620 расширяет производственную линейку удобных в использовании интегральных схем для управления питанием семейства SWIFT компании Texas Instruments. Микросхема является законченным решением для управления электропитанием с максимальным выходным током 6 А и диапазоном входных напряжений 4,5...17 В. Рабочая частота изменяется в интервале 200 кГц...1,6 МГц. Общая площадь монтажа, включая дополнительные компоненты, составляет не более 195 мм2 — четверть почтовой марки. Диапазон входных напряжений DC/DC-преобразователя лежит в пределах 4,5...17 В. КПД преобразователя достигает 95%, а изменение опор­ного напряжения составляет не более ±1% во всем диапазоне изменения рабочих температур. Со­про­тив­ле­ ние силовых ключей в открытом состоянии на 25% меньше, чем у предшественников из семейства SWIFT. Увеличение плотности монтажа и сложности телеком­ му­ни­кационного оборудования требует более интег­ри­ ро­ванных устройств питания с большим числом функцио­ наль­ных возможностей. Перечисленные особенности пре­образователя позволяют применять его в приложениях с ограниченным пространством монтажа и напряжением 5 и 12 В, например в беспроводных базовых станциях или серверах с высокой плотностью элементов. Также POL-преобразователь TPS54620 отлично подходит и для использования в источниках питания DSP, встраиваемых процессорах и микросхемах FPGA и ASIC. Ключевые особенности TPS54620

68

– Микросхема SWIFT поддерживает нагрузку до 6 А в рабочем режиме (пиковая величина тока 8 А), а также входное напряжение силового каскада в интервале 1,6...17 В. – Преобразователь содержит два встроенных силовых МОП-транзистора (с сопротивлением открытого канала 26 и 19 мОм) и поставляется в компактном монолитном корпусе QFN с улучшенными тепловыми характеристиками. Размер корпуса составляет 3,5×3,5 мм, что сокращает площадь монтажа на плате. – Синхронизация частоты коммутации от задающего генератора синхроимпульсов исключает помехи в чувствительных схемах сбора данных. Помимо сказанного следует добавить, что преобразователь может работать как автономно, так и в составе сложных систем питания. В последнем случае предусмотрена функция tracking, позволяющая включать микросхему при достижении определенного уровня питания на ее внешнем выводе SS/TR. Подобная функция необходима для реа-

WWW.ELCP.RU

ИС TPS54160 TPS54325 TPS54418 TPS54620

Iвых, А 1,5 3 4 6

Vвх, В 3,5...60 4,5...18 2,95...6 4,5...17

Vвых, В 0,8...57 0,76...5,5 0,8...5 0,8...15

Частота, кГц 300...2500 700 200...2000 200...1600

Корпус MSOP10 HTSSOP14 QFN16, 3×3 QFN14, 3,5×3,5

лизации определенной последовательности включения/ выключения шин питания. В микросхеме предусмотрены функции защиты. Пошаговое ограничение тока верхнего ключа синхронного выпрямителя позволяет исключить перегрузки при запуске преобразователя и при воздействии помех. Реализована также токовая защита нижнего ключа. Температурная защита не допускает перегрев микросхемы и переводит ее в режим пониженного энергопотребления при превышении температуры 175°С. Предусмотрен также и PWRGD-компаратор с гистерезисом для контроля выходного напряжения питания. Диапазон допустимых выходных напряжений составляет 91—109% от номинального значения. Преобразователь работает в режиме управления по току. В этом случае, благодаря внутреннему токовому контуру, ограничивается максимальный ток дросселя фильтра, что позволяет избежать насыщения его сердечника, а, следовательно, и увеличения пульсаций выпрямленного напряжения. Режим управления по току также в общем случае сокращает время переходных процессов и увеличивает устойчивость системы, что очень важно при питании динамических нагрузок. Рабочая частота преобразователя фиксирована и выбирается из ряда 200 кГц...1,6 МГц. Ее величина задается внешним резистором. Самый широкий спектр монолитных и многокристальных решений

Компания TI поставляет широкий спектр понижающих преобразователей, включая устройства семейства SWIFT и дискретные DC/DC-преобразователи. В дополнение к микросхеме TPS54620 компания TI недавно выпустила новый коммутационный преобразователь TPS54418 со встроенными силовыми ключами, поддерживающий ток 4 А при входных напряжениях 2,95...6 В. Это устройство имеет частоту коммутации до 2 МГц, может синхронизироваться и достигает КПД 95% и более. Размер корпуса QFN составляет лишь 3×3 мм. По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставок обращайтесь по адресу ti@compel.ru.

Модем для передачи данных по силовым линиям AMIS-49587 Ромадина Ирина, менеджер по продукции ON Semiconductor, «Компэл» В статье рассматриваются основные особенности и характеристики нового устройства передачи данных по силовым линиям — модема AMIS-49587 компании On Semiconductor. AMIS-49587 — однокристальный модем, предназначенный для передачи данных по линиям электропередач (ЛЭП) с низким или средним напряжением. Обмен данными происходит в полудуплексном режиме на скоростях 300, 600, 1200 и 2400 бод. Основными областями применения AMIS-49587 являются системы автоматического удаленного считывания показаний датчиков, удаленный контроль безопасности, контроль за освещением улиц, передача сигналов тревоги (пожара, утечки газа и пр.). AMIS-49587 имеет инновационную двойную архитектуру, содержащую обработчик протоколов как высокого (МАС), так и низкого уровня. Программист только пересылает данные на модем и не думает о тонкостях передачи. AMIS-49587 соответствует стандартам EN 50065 CENELEC и IEC 1334-5-1. Он работает от источника питания 3,3 В и подсоединяется к силовой линии через внешний усилитель мощности и трансформатор. Внутренняя схема ФАПЧ привязана к частоте сети электропитания (50 или 60 Гц) и используется для синхронизации передачи данных на скоростях 300, 600, 1200 и 2400 бод, что соответствует 3, 6, 12 или 24 битам на полцикла частоты сети. Для модуляции данных применяется смешанный вид S-FSK, сочетающий в себе преимущества частотной модуляции и методик расширения спектра. В отличие от классической частотной модуляции, частоты, соответствующие логическому нулю и логической единице, разнесены на большое расстояние, поэтому качество передачи нулей и единиц не зависит друг от друга. Пары частот, поддерживаемые AMIS-49587, лежат в диапазоне 9...95 кГц и отличаются обычно на 10 кГц. Согласование и преобразование сигнала производится в аналоговом входном каскаде. Последующая обработка сигнала и протоколов производится в цифровом виде. Часть цифровой обработки производится в аппаратных блоках (критичные ко времени задачи), а часть — в мик­ ро­про­цессоре ARM 7TDMI (некритичные ко времени за­да­чи). Микропроцессор управляется аппаратно. Он одно­временно выполняет обработку сигнала и обеспечивает протокол связи, содержащий в себе МАС-уровень. Выходной интерфейс модема — последовательный полу-

дуплексный асинхронный двухпроводной протокол SCI (линии TXD и RXD). Применение

Модем AMIS-49587 предназначен для соединения устройств по каналу связи в распределительной сети (DLC — Distribution Line Carrier). Он может быть подключен в следующих нескольких режимах (см. рис. 1). 1. Сервер. Модем предоставляет ресурсы абоненту. Типичное применение — счетчик электроэнергии, оборудованный для работы в канале DLC. 2. Абонент. Модем осуществляет подключение к удаленному серверу. Примером может быть система концентраторов. 3. Шпион. Модем используется для мониторинга или тестирования канала связи в распределительной сети. 4. Тестовый режим. Модем тестируется на соответствие требованиям CENELEC. Схема включения

На рисунке 2 приведена типичная схема включения модема. Между кристаллом модема AMIS-49587 и входным усилителем мощности NCS5650 ставится полосовой фильтр, чтобы снизить шумы и помехи вне полосы передачи. Входной усилительный каскад подключается к сети через трансформатор и согласующую цепь. К выходу модема подключается интерфейсная схема SCI, которая обеспечивает физический интерфейс между связным контроллером и стандартным выходом S0 (DIN 19234) счетчика. Структурная схема

Общая структура AMIS-49587 приведена на рисунке 3. Модем содержит блок приемника и передатчика, схемы синхронизации и связной микроконтроллер ARM 7TDMI. Рассмотрим основные функциональные узлы более подробно. Схема передатчика приведена на рисунке 4. Интерфейс с ядром ARM осуществляется через 8-разрядный регистр, два регистра контроля и считывателя флага и два 16-разрядных регистра, определяющих частоты логического нуля (fs) и логической единицы (fm).

Рис. 1. Примеры применения AMIS-49587

электронные компоненты №7 2009

71

Рис. 2. Типичная схема подключения AMIS-49587

Рис. 3. Структурная схема AMIS-49587

72

Рис. 4. Структурная схема блока передатчика

Передатчик работает синхронно с двумя сигналами BIT_ CLK и BYTE_CLK, когда в регистр TX_RXB в R_CONF записана логическая 1. Для правильной работы содержимое регистра TX_RXB должно обновляться после каждого прерывания, генерируемого PRE_BYTE_CLK. Взаимодействие между ARM-ядром и передатчиком производится по прерыванию. По каждому фронту BYTE_CLK данные из R_TX_ DATA копируются в буфер R_TX_DATA_BUFFER. Обработка

WWW.ELCP.RU

Рис. 5. Структурная схема аналоговой части блока приемника

кадра (преамбула, МАС-адрес, контрольная сумма) производится в ядре ARM. Схема приемника приведена на рисунках 5 и 6. При­ ем­ник активен при TX_RXB = 0. Режим работы и скорость потока данных устанавливаются в регистрах R_CONF [9:0], R_FS [15:0] и R_FM [15:0]. Согласно стандарту IEС, пересылка данных производится в моменты, когда напряжение сети пересекает

Рис. 6. Структурная схема цифровой части блока приемника

нулевое значение. Эти моменты регистрируются в блоке детектора перехода через ноль (Zero crossing) выводом M50HZ_IN. На выходе детектора устанавливается логический ноль, если напряжение меньше порогового, и это является признаком скорого прохода нуля. Эти моменты регистрируются в течение 0,5...1 мс. Модуль связного контроллера (см. рис. 3) состоит из собст­венно микропроцессора и периферийных блоков: ОЗУ, ПЗУ, таймера, схемы сброса при включении, интерфейса UART. Микропроцессор представляет собой чип ARM 7TDMI и построен по RISC-архитектуре, поэтому для большин­ства команд время выполнения составляет один такт. Мик­ро­конт­ рол­лер содержит схемы обработки прерываний, а также об­ра­бот­чики протоколов физического и МАС-уровней. У контроллера есть при порта, указывающих статус и стадию обмена. Это I0 — индикатор процесса успешного приема данных; TX_ENB — выходной порт, информирующий о включении передатчика; TX_DATA — выход для передаваемых данных либо сигнала синхронизации с интервалами времени (PRE_SLOT). Скорость обмена по протоколу SCI устанавливается выводами BR0 и BR1 в соответствии с таблицей 1. Арбитраж

Во избежание коллизий между данными, пересылаемыми контроллером AMIS-49587 и базовым МК, контроллер модема имеет статус передающего. Т.е. во время отсутствия локальных пересылок он может инициировать обмен без проверки состояния базового микроконтроллера. Если базовый МК собирается начать передачу, то он посылает запрос T_REQ. Приоритет при пересылке данных — у микроконтроллера AMIS-49587. Программное обеспечение AMIS-49587

74

Программное обеспечение модема AMIS-49587 содержит функции обработки превышения времени ожидания и проверки на наличие ошибок, а также выполняет обработку сигналов подтверждения и осуществляет процедуру приема. Проверка на наличие ошибок содержит несколько стадий: считывание контрольной суммы, проверка длины

Таблица 1. Установка скорости передачи данных. BR_1

BR_0

Скорость, бод

0 0 1 1

0 1 0 1

4800 9600 19200 38400

пакета и синтаксиса команд. При обнаружении ошибки пересылка повторяется. Процедура приема заключается в предупреждении возникновения коллизий. Доступ к ресурсам модема осуществляется по последовательному протоколу местной связи. Арбитраж проводится микроконтроллером AMIS-49587. Модем может осуществлять внутреннюю пересылку в базовый МК напрямую, а в обратном направлении обмен обязательно производится по запросу. Микроконтроллер AMIS-49587 работает в следующих режимах: Not Set — осуществляется только прием запросов Reset_Request, TestMode_Request, WriteConfig_Request, WriteConfigNew_Request; Master — осуществляется прием запросов Reset_ Request, WriteConfig_Request, WriteConfigNew_Request, запросы DB, MAC и ISA; Slave Not Synchronized — осуществляется прием Reset_ Request, WriteConfig_Request, WriteConfigNew_Request, запросы DB; Slave Synchronized — осуществляется прием Reset_ Request, WriteConfig_Request, WriteConfigNew_Request, запросы DB, MAC и ISA; Monitor — осуществляется прием Reset_Request, WriteConfig_Request, WriteConfigNew_Request, запросы DB. В синхронном режиме возможна локальная пересылка пакетов SPY. Литература 1. Datasheet AMIS-49587. 2. Материалы сайта www.onsemi.com.

Новости из мира микроконтроллеров и цифровой электроники

| ARM-смартбуки? | Ожидается, что в IV кв. текущего года рынок начнет заполняться так называемыми ARM-смартбуками — миниатюрными ноутбуками, построенными на процессорах с ядром ARM. О намерении выпустить такие продукты уже сообщили компании Acer, Foxconn Electronics, Pegatron Technology, Compal Electronics и Inventec Appliances. Впрочем, оптимизм, связанный с перспективами ARM-смартбуков, разделяют далеко не все производители электроники. Так, например, компании Elitegroup Computer Systems (ECS) и Micro-Star International (MSI) решили пока не спешить за Acer и другими упомянутыми выше производителями. Вместо этого, они будут изучать реакцию рынка на новую продукцию. www.russianelectronics.ru

WWW.ELCP.RU

Светодиодные драйверы ADDtek Максим Селиванов, начальник технического отдела, ООО «НЕОН-ЭК» В статье рассказывается о новинке российского рынка — светодиодных драйверах ADDtek. Рассматриваются основные области применения микросхем, приводятся типовые схемы включения и технические характеристики. Тайваньская компания ADDtek основана в 1997 г. Ос­нов­ ным направлением деятельности компании является раз­работка интегральных микросхем для применения в мо­биль­ных и светодиодных устройствах, ЖК-дисплеях и т.д. ADDtek — классическая дизайн-фирма, которая занимается разработками, сбытом и вопросами качества, а для производства использует мощности TSMC. Высокие технологии производства и качественный менеджмент позволяют создавать микросхемы, соответствующие миро­ вым стандартам надежности и удовлетворяющие запросы даже самых требовательных разработчиков. В настоящее время производятся следующие типы све­ тодиодных драйверов: – стабилизаторы тока; – микросхемы-преобразователи напряжения; – микросхемы-преобразователи напряжения со встро­ енным стабилизатором тока; – микросхемы для стабилизации тока, управляемые внешним сигналом ШИМ; – микросхемы для защиты светодиодов. На рисунке 1 показана классификация микросхем ADDtek. Наиболее простым примером источника света, изготовленно­ го на основе микросхемы AMC7135, является светодиодный светильник, который может применяться в быту или промыш­ ленности (например, в фонаре шахтера).

Электрическая схема включения микросхемы показана на рисунке 2. Напряжение питания 2,7…6 В допускает исполь­ зование трех-четырех элементов типоразмера АА в качестве источника питания. Можно использовать любой 1-Вт свето­ диод с прямым током 350 мА (Cree, HPLighting). Конденсатор Со можно исключить из схемы, если выполняются три условия: а) длина проводника между AMC7135 и светодиодом меньше 3 см; б) длина проводника между светодиодом и источником питания меньше 10 см; в) светодиод и микросхема установлены на одной печатной плате. Как видно, эта схема достаточно проста, эффективна и имеет низкую себестоимость, т.к. цена самой микросхемы составляет около 13 руб. К дополнительным преимуще­ ствам AMC7135 можно отнести то, что она имеет встроен­ ную защиту при обрыве или коротком замыкании свето­ диода, а также широкий диапазон рабочих температур (–40…85°С). Дальнейшим развитием микросхемы АМС7135 стал драйвер А705 с расширенным диапазоном напряжений питания 2,7…12 В. А705 включается по такой же схеме, что и АМС7135, и имеет следующие особенности: – встроенную защиту от обрыва/пробоя в цепи нагрузки; – малое падение напряжения;

75

Рис. 1. Классификация микросхем ADDtek

Рис. 2. Принципиальная схема AMC7135

Рис. 3. Принципиальная схема AMC7140

электронные компоненты №7 2009

Рис. 4. Схема совместного включения АМС3202 и АМС7140

Рис. 5. Схема включения А720

76

– низкое потребление тока в режиме ожидания; – выходной ток 210/230/250/270/290/310/330/350 мА, что позволяет разработчику наиболее точно выбрать необходимый режим работы светодиодов. Поскольку максимальное напряжение питания А705 составляет 12 В, микросхема допускает подключение, к примеру, до трех 1-Вт белых светодиодов со стандартным прямым напряжением Vf = 3,8 В. Более функциональный светодиодный светильник можно изготовить на базе микросхемы AMC7140 (см. рис. 3). Максимальный выходной ток микросхемы в 700 мА и напря­ жение питания 5…50 В позволяют подключать к драйверу несколько мощных светодиодов. Подстроечным резистором Rset можно регулировать яркость свечения устройства. Вывод «Включение» используется для включения устройства или для управления яркостью с помощью ШИМ при фиксированном значении резистора Rset. В технической документации на АМС7140 приведено еще несколько типовых схем включения драйвера, а также рекомендации по расчету радиатора. AMC3202 — DC/DC-преобразователь с высокой степе­ нью интеграции. Основные его особенности — наличие встроенного генератора на 280 кГц и мощного ключа. В импульсном режиме максимальный выходной ток AMC3202 может достигать 2 А при скважности 50%. Выделяющееся тепло хорошо отводится тепловой площадкой корпуса SO8-EP или QFN 4×4. Микросхема сохраняет работоспособ­ ность при входных напряжениях 2,7…30 В. К дополнитель­ ным преимуществам AMC3202 можно отнести возмож­ ность мягкого старта, выключение при перегреве корпуса

WWW.ELCP.RU

свыше 150°C. Для достижения наилучшего КПД ADDtek рекомендует совместную работу AMC3202 и, к примеру, AMC7140 (см. рис. 4). При таком включении AMC3202 преоб­ разует входное напряжение до оптимального, которое тре­ буется при работе цепочки светодиодов, а AMC7140 поддер­ живает требуемый рабочий ток. При подобном включении двух микросхем КПД всего устройства достигает 94%. Особый интерес представляют микросхемы A720 и AMC7169 — автор не встречал аналогов подобной продук­ ции. Они работают по принципу bypass, т.е. в случае обрыва светодиода в цепи гарантированно пропускают ток, тре­ буемый для работы оставшихся светодиодов, повышая тем самым надежность всего устройства. Эти микросхемы про­ пускают ток и в обратном направлении, защищая тем самым устройство от неправильного подключения. Основные технические характеристики: – напряжение срабатывания 5 В; – прямой или обратный ток 700 мА; – падение напряжения 1,6 В при токе 700 мА. На рисунке 5 приведена схема включения А720. Стрелкой указано направление прохождения тока при обрыве светодиода в цепи. В заключение можно сделать вывод о том, что основны­ ми преимуществами драйверов ADDtek являются: – высокий КПД; – малое количество внешних элементов; – низкая цена. Есть еще одна особенность: в отличие от многих тай­ ваньских производителей ADDtek предоставляет каче­ ственную техническую поддержку. На сайте компании размещены многочисленные рекомендации по примене­ нию. Можно с уверенностью сказать, что благодаря разно­ образию и качеству микросхем ADDtek займет свое место на российском рынке светодиодной продукции и станет серьезным конкурентом для фирм с мировым именем. Надеемся, что это будет способствовать снижению стои­ мости, уменьшению габаритов и потребляемой мощности производимых светодиодных устройств. По вопросам технической поддержки и предоставления образцов обращайтесь в ООО «НЕОН-ЭК» www.e-neon.ru.

Новые компоненты на российском рынке АЦП/ЦАП Первые в отрасли 4-канальные ЦАП с энергонезависимой памятью EEPROM от Microchip

Компания Microchip анонсировала MCP4728 — первый 4-канальный 12-разрядный ЦАП со встроенной EEPROM для сохранения конфигурации, позволяющей начать работу сразу после включения питания. Четыре канала ЦАП, встроенные EEPROM, опорный источник напряжения и прецизионный rail-to-rail выходной усилитель MCP4728 позволяют уменьшить габариты конечного устройства и уменьшить число внешних компонентов в устройствах с батарейным питанием. Посредством последовательного интерфейса I2C в ЦАП MCP4728 можно установить входные коды, конфигурационные и адресные биты. Эта информация сохраняется в энергонезависимой памяти, и заданный режим работы ЦАП автоматически восстанавливается при включении питания. Архитектура MCP4728 предусматривает возможность индивидуальной настройки энергосберегающих режимов каждого из каналов, что позволяет снизить потребление тока до 40 нА. ЦАП MCP4728 могут найти применение в потребительской электронике (портативные медиаплееры, цифровые камеры, GPS-навигаторы и т.п.), а также в медицинской, промышленной, автомобильной электронике и приборостроении (LED-освещение, охранные системы и сигнализации). Демонстрационная плата MCP4728 Evaluation Board (MCP4728EV) поможет быстрее освоить новые ЦАП и внедрить их в разрабатываемые устройства. ЦАП MCP4728 доступны в 10-выводном корпусе типа MSOP. Microchip Technology www.microchip.com

Дополнительная информация: см. Microchip Technology

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ Новая серия миниатюрных AC/DC-преобразователей от Mornsun

Компания Mornsun расширила свой модельный ряд миниатюрными AC/ DC-преобразователями серии LB05. Новые преобразователи с выходной мощностью 5 Вт имеют компактный корпус (55×45×21 мм) для монтажа на печатную плату в отверстия, рабочий температурный диапазон –40…70°С, прочность изоляции вход-выход 3 кВ (в течение 1 мин). Серия LB05 рассчитана на входной диапазон напряжений 85…264 В переменного тока (или 100…370 В постоянного тока). В серии LB05 выпускаются модели с одним выходом (LB05-10Bxx), c двумя выходами со средней точкой (LB0510Axx) и с двумя изолированными выходами (LB05Dxxxx). Преобразователи снабжены защитой от перегрузки и от короткого замыкания. Преобразователи серии LB05 сертифицированы по международным стандартам: EN55022(level B), IEC/EN 61000-4-2, IEC/ EN61000-4-3, IEC/EN61000-4-4, IEC/EN 61000-4-5, IEC/EN60950, UL60950, Safety Class CLASS 1.

Наименование LB05-10B03 LB05-10B05 LB05-10B09 LB05-10B12 LB05-10B15 LB05-10B24 LB05-10A05 LB05-10A12 LB05-10A15 LB05-10A24 LB05-10D0505-01 LB05-10D0512-01 LB05-10D0515-01 LB05-10D0524-01

Uвых1/Iвых1, В/мА 3,3/1500 5/1000 9/600 12/450 15/350 24/230 ±5/500 ±12/210 ±15/170 ±24/100 5/900 5/750 5/700 5/600

Uвых2/Iвых2, В/мА — — — — — — — — — — 5/100 12/100 15/100 24/100

КПД, % 70 73 75 76 78 79 70 74 75 77 70 74 74 75

Серия LB05 является оптимальным решением для промышленных приложений, в частности, беспроводных систем, АСУТП, средств УСПД в системах энергоучета. Гарантия производителя — 3 года. Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО Изолированные усилители серии T1100 от Mornsun

Компания Mornsun предлагает серию пассивных изолированных усилителей T1100N(S). Усилители выполнены в пластмассовых корпусах (23,8×13,7×7,5 мм) для монтажа в отверстия (T1100N) и поверхностного монтажа (T1100NS). Рабочий температурный диапазон –25…71°С, прочность изоляции вход-выход 3 кВ (в течение 1 мин). Усилители серии T1100 имеют вход 4…20 мА и выход 4…20 мА и не требуют дополнительного питания. Рабочий частотный диапазон 15 кГц, температурный дрейф составляет 0,0035 %/°C. Данную серию отличает высокая точность — 0,1%. Области применения: измерительное оборудование, системы управления технологическими процессами, искробезопасные цепи, устройства искрозащиты и др. Гарантия производителя 3 года. Mornsun www.mornsun-power.com

Дополнительная информация: см. «ЭКО», ООО Универсальные понижающие DC/ DC-стабилизаторы от Analog Devices

Компания Analog Devices освоила выпуск новых стабилизаторов ADP2105/ ADP2106/ADP2107. Микросхемы представляют собой синхронные понижающие DC/DC-стабилизаторы в компактном корпусе LFCSP размером 4×4 мм с рабочей частотой 1,2 МГц.

электронные компоненты №7 2009

77

При средних и больших токах нагрузки микросхема использует режим ШИМ с постоянной частотой. Для обеспечения продолжительного срока службы батарей и аккумуляторов в портативной аппаратуре микросхема включает частотную модуляцию при небольших нагрузках. Эти особенности работы позволяют получать КПД до 97%. Микросхемы предназначены для работы совместно с DSP, ПЛИС, БМК, микроконтроллерами в промышленной, портативной и стационарной аппаратуре различного назначения. Микросхемы работают при напряжениях питания 2,7…5,5 В, что позволяет использовать один литиевый, литиево-полимерный или несколько NiMH-аккумуляторов или, например, питать устройство от шины USB или других источников питания. Стабилизаторы доступны со следующим диапазоном вы­ходных напряжений: 3,3; 1,8; 1,5 и 1,2 В, а также в регулируемой версии с максимальным током нагрузки 1 А (ADP2105), 1,5 A (ADP2106) и 2 A (ADP2107). При переводе в спящий ре­жим микросхема отключается и потребляет ток менее 0,1 мкА от входного источника питания. Другие особенности включают в себя автоматическое от­к лючение для предотвращения глубокого разряда аккумуляторов и мягкий старт при включении. Микросхемы доступны в корпусе 16-LFCSP и предназначены для работы в расширенном температурном диапазоне –40…125°С. Analog Devices Inc. www.analog.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО Компания Aimtec снижает цены на AC/DC-преоб­ разователи мощностью 5 Вт

78

В связи с освоением серийного производства ультракомпактных (52×26×16 мм) AC/DC-преоб­разователей мощностью 5 Вт серии AMEL5EMAZ с рабочим диапа­ зо­ном температур –40…80°С, компания Aimtec объявила о сущест­венном (на 20%) снижении цен на аналогичные (по расположению выводов и характеристикам) AC/DC-преобра­ зователи серии AMEL5-MAZ с рабочим диапазоном температур –25…80°С. Серии AMEL5-EMAZ и AMEL5-MAZ — это ультракомпактные AC/DC-преобразователи с одним (3,3…24 В) или двумя выходами (±5…±15 В), предназначенные для установки на печатную плату в приложениях с плотной компоновкой элементов. Основными особенностями преобразователей серии AMEL являются: – минимальные габариты, практически совпадающие со стандартными габаритами 10…20 Вт DC/DC-преоб­разо­ва­те­ лей (51×25 мм); – электрическая прочность изоляции вход/выход 4000 В АС; – ток утечки: не более 200 мкА. Aimtec Inc. www.aimtec.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

КВАРЦЕВЫЕ ПРИБОРЫ СТАБИЛИЗАЦИИ ЧАСТОТЫ Новые виды прецизионных малошумящих кварцевых генераторов категории качества «ВП» для аппаратуры специального назначения

ОАО «МОРИОН» (С.-Петербург) — ведущее предприятие России и один из мировых лидеров в области разработки и серийного производства приборов кварцевой стабилизации и селекции частоты — представляет новые виды прецизи-

WWW.ELCP.RU

онных малошумящих кварцевых генераторов диапазона 5...100 МГц для применения в условиях жестких ВВФ в различных видах аппаратуры специального назначения. Перечень моделей, а также некоторые из основных параметров приведены в таблице ниже. Стабильность частоты Модель Частота или кратковре­ Корпус, мм ге­не­ра­ диапазон в интерва­ долговре­ то­ра частот, МГц ле темпе­ менная за менная за 1 с ратур год (дев. Аллана) ГК54М-ТС 4,096…20,0

до ±5·10–9

до 3·10–8

1·10–12

50×50×25

–11

–9

–12

ГК211-ТС

5; 10

до ±5·10

до 5·10

1·10

62×62×40

ГК212-ТС

100

до ±2·10–10

до 3·10–8

–

90×60×50

–7

–7

–

130×110×90

ГК213-ТС

40…100

до ±1·10

до 3·10

Подробнее об основных особенностях указанных моделей. 1. ГК54М-ТС — серьезная современная модернизация генератора ГК54-ТС, широко известного и хорошо себя зарекомендовавшего в широком спектре специальных применений (в т.ч. космических). ГК54М-ТС по всем характеристикам полностью заменяет ГК54-ТС, обладая при этом целым рядом существенных преимуществ. Так, ГК54М-ТС доступен к поставке в малошумящем исполнении (опция «МШ») — гарантированный уровень фазовых шумов для 5 МГц составляет <–110 дБ/Гц для отстройки 1 Гц и <–147 дБ/Гц для отстройки 100 Гц. Прибор обладает сокращенным временем установления частоты (с точностью ±1·10 –7) — до 2 мин при 25°С (для сравнения: ГК54-ТС — 5 мин) и до 4 мин при –60°С (ГК54-ТС — 7 мин). Кроме того, возможен вариант исполнения с ужесточенными требованиями к кратковременной нестабильности частоты до 1·10 –12/с. Указанные параметры в сочетании с высокой стойкостью к жестким ВВФ и низким потреблением (<0,4 Вт) делают данный прибор эффективным решением для применения в мобильной и бортовой специальной аппаратуре. 2. ГК211-ТС — прибор, характеризующийся предельно высокой стабильностью частоты уровня 10 –10 при изменении рабочей температуры в широком интервале до –60...+70°С, а также уникальным уровнем долговременной стабильности — до 5·10 –8 за 15 лет (без подстройки). Генератор выполнен во фрезерованном корпусе, обладает высокой вибро- и ударопрочностью. Имеет выходной сигнал SIN и напряжение питания 12 В. 3. ГК212-ТС — высокочастотный (100 МГц) малошумящий генератор, обеспечивающий стабильность частоты до 2·10 –10 в широком интервале рабочих температур и до ±3·10 –8/год. Гарантированный уровень фазовых шумов <–100 дБ/Гц для отстройки 10 Гц и <–165 дБ/Гц для отстройки >50 кГц. Прибор выполнен во фрезерованном корпусе, обладает высокой вибро- и ударопрочностью, имеет выходной сигнал SIN и напряжение питания 12 В. 4. ГК213-ТС — прибор, у которого практически отсутствует деградация фазовых шумов при воздействиях мощной ШСВ. Гарантированный уровень фазовых шумов <–135 дБ/Гц для отстройки 100 Гц и <–160 дБ/Гц для отстройки 10 кГц. ГК213-ТС обеспечивает стабильность частоты до ±5·10 –7 в интервале рабочих температур –55...+70°С и долговременную стабильность частоты до 3·10 –7 за год. Генератор может поставляться для широкого диапазона частот, при этом стандартными являются частоты 48, 56, 60 и 100 МГц. Указанные приборы поставляются с приемкой «5» и включены (либо будут включены в ближайшее время) в «Перечень электрорадиоизделий, разрешенных к применению…» (МОП44). Дополнительная информация об этих и других приборах доступна на обновленном сайте ОАО «МОРИОН» www.morion.com.ru. ОАО «Морион» www.morion.com.ru

Дополнительная информация: см. «Морион», ОАО

МК И DSP 32-разрядный микроконтроллер с поддержкой MAC Ethernet от Freescale

– Рабочий температурный диапазон –40…85 °С. – 48-выводной корпус QFN. Структура микроконтроллера представлена на ри­сунке. В качестве отладочного комплекта компания Freescale выпускает систему Tower System (TWR-MCF51CN-KIT ), состоящую из нескольких дочерних плат и модулей: – процессорный модуль TWR-MCF51CN; – интерфейсный модуль TWR-SER (поддержка Ethernet, USB, RS232, RS485,CAN); – объединительная плата TWR-ELEV (обеспечивает соединение процессорного и интерфейсного модуля). Freescale Semiconductor www.freescale.com

Дополнительная информация: см. «Элтех», ЗАО

Microchip Technology Компания Freescale выпустила новую серию микроконтроллеров на базе 32-разрядного ядра ColdFire V1 — MCF51CN. Новая серия совмещает в себе низкую стоимость, контроллер 10/100 Ethernet MAC и набор коммуникационных интерфейсов. Подобный набор функций делает эти микроконтроллеры идеальным решением для устройств, где требуется преобразование данных из последовательного интерфейса в Ethernet, например в системах контроля доступа, автоматизации, медицинском оборудовании. Компания Freescale также предоставляет операционную систему реального времени MQXTM и стеки протоколов TCP/IP. Основные характеристики семейства MCF51CN. – Внешняя шина памяти (поддерживается до 2 Мбайт внеш­ней памяти). – Внутренняя память: 128 кбайт флэш-память, 24 кбайт SRAM. – Контроллер 10/100 Ethernet MAC. – Последовательные интерфейсы: 2 x I2C, 2 x SPI, 3 x UART. – 12-канальный 12-разрядныйАЦП. – До 70 портов ввода/вывода общего назначения. – Напряжение питания: 1,8…3,6 В.

sale@gamma.spb.ru www.microchip.com

«Морион», ОАО

199155, С.-Петербург, пр. Кима, д. 13а Тел.: (812) 350-75-72, (812) 350-9243 Факс: (812) 350-72-90, (812) 350-15-59 sale@morion.com.ru www.morion.com.ru

«ЭКО», ООО

107553, Москва, ул. Б. Черкизовская, 20, стр.1, оф.307 Тел.: (499) 161-9183 electron@e-co.ru www.e-co.ru

«Элтех», ООО

198035, С.- Петербург, ул. Двинская, 10, к. 6А Тел.: (812) 635-50-60, факс: (812) 635-50-70 info@eltech.spb.ru www.eltech.spb.ru

79

электронные компоненты №7 2009

Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.