Mikroprocesor - nie zawsze znaczy to samo_2.pdf - MSP430 - sq9nip

P O D Z E S P O Ł Y

„Mikroprocesor”

nie zawsze znaczy to samo

W†drugiej, ostatniej czÍúci artyku³u autor

naúwietla kilka kolejnych problemÛw,

z†ktÛrych na co dzieÒ rzadko zdajemy

sobie sprawÍ. Tytu³owa teza jest

rzeczywiúcie uzasadniona.

CISC czy RISC?

W†miarÍ rozwoju techniki

komputerowej obserwowana

jest tendencja do wzbogaca-

nia list instrukcji proceso-

rÛw i†mikroprocesorÛw

o†coraz bardziej z³oøone, ta-

kie jak na przyk³ad mnoøe-

nia i†dzielenia. Z³oøone in-

strukcje wymagaj¹ odpo-

wiednio skomplikowanego

uk³adu sterowania jednostki

centralnej - realizowanego

z†koniecznoúci jako mikro-

programowany - i†musz¹

byÊ wykonywane w†ci¹gu

kilku, kilkunastu czy nawet

kilkudziesiÍciu taktÛw syg-

na³u zegarowego. Typowym

przyk³adem jest rdzeÒ mi-

krokontrolera '51, w†ktÛrym

wykonanie pojedynczej in-

strukcji wymaga nawet 12

lub wiÍcej taktÛw zegara

albo HC11, o†jeszcze bogat-

szej liúcie instrukcji. Takie

procesory nazywane s¹

CISC - Complex Instruction

Set Computer .

Analiza tysiÍcy progra-

mÛw komputerowych wyka-

za³a, øe w†praktyce te z³o-

øone instrukcje wykorzysty-

wane s¹ stosunkowo rza-

dko. W†ogromnej wiÍkszoú-

ci przypadkÛw dominuj¹ in-

strukcje najprostsze. Pojawi³

siÍ wobec tego pomys³, aby

ze z³oøonych instrukcji

w†ogÛle zrezygnowaÊ (bo

zawsze da siÍ je zrealizo-

waÊ za pomoc¹ ci¹gu pros-

tych rozkazÛw), pozostawia-

j¹c tylko taki zestaw in-

strukcji, dla ktÛrego uk³ad

sterowania jednostki cent-

ralnej mÛg³by byÊ wykona-

ny jako kombinacyjny, a†nie

mikroprogramowany. W†re-

zultacie pojedynczy rozkaz

mÛg³by byÊ wykonany

w†ci¹gu jednego taktu zega-

ra, zdecydowanie przyspie-

szaj¹c pracÍ procesora.

Z†drugiej strony, ograni-

czenie asortymentu dostÍp-

nych instrukcji, spowodo-

wane koniecznoúci¹ uprosz-

czenia uk³adu sterowania,

powoduje, øe niektÛre ope-

racje musz¹ byÊ realizowa-

ne programowo w wielu in-

strukcjach, a†nie tylko

w†jednej, co z†kolei wyd³u-

øa czas wykonania progra-

mu. Okaza³o siÍ bowiem, øe

maszyny zaprojektowane

wed³ug nowej koncepcji za-

zwyczaj pracuj¹ wyraünie

szybciej. Takie procesory

nazwane zosta³y RISC - Re-

duced Intruction Set Com-

puter , a†wiÍc komputerami

o†zredukowanej liúcie

instrukcji. Nazwa jest myl¹-

ca, bo wyrÛønikiem proce-

sorÛw†RISC jest ich szyb-

koúÊ, a†uboga lista instruk-

cji nie jest cech¹ pierwszo-

planow¹, lecz wynikiem

ograniczeÒ konstrukcyjnych.

Powoduje to, øe czasami

producenci prymitywnych

mikrokontrolerÛw nazywaj¹

je RISC-ami, co jest oczy-

wistym naduøyciem. Duøa

szybkoúÊ dzia³ania powinna

wynikaÊ ze struktury (archi-

tektury), a†nie z zastosowa-

nia wyøszych czÍstotliwoúci

sygna³u taktowania. Proce-

sory RISC musz¹ spe³niaÊ

jeszcze inne wymagania.

Z†punktu widzenia uøyt-

kownika nie jest waøny

czas wykonania pojedynczej

instrukcji, lecz istotny jest

czas realizacji zadanego al-

gorytmu obliczeÒ. Wynika

st¹d, øe lista instrukcji po-

winna byÊ dobrana w³aúnie

pod k¹tem efektywnoúci,

a†wynikowy program powi-

nien zawieraÊ jak najmniej

instrukcji niezwi¹zanych

bezpoúrednio z†realizacj¹ al-

gorytmu, a†wiÍc†przede

wszystkim instrukcji trans-

feru danych. Ponadto wyko-

nanie instrukcji nie powin-

no kasowaÊ øadnego z†argu-

mentÛw, dlatego ìrasowyî

RISC jest zawsze trzyadre-

sowy. Poniewaø obowi¹zuje

przy tym rygorystycznie za-

sada, øe†pojedynczy rozkaz

wykonywany jest dok³adnie

w†jednym takcie zegara, nie

moøe on byÊ kompletowany

z†kilku s³Ûw pamiÍciowych

- musi byÊ wobec tego krÛt-

ki, co oczywiúcie implikuje

niewielk¹ d³ugoúÊ pÛl†adre-

sowych. Ponadto, w†jednym

takcie zegara nie moøna

z†pamiÍci zewnÍtrznej po-

braÊ 2 argumentÛw i†ode-

s³aÊ do niej wyniku. Z†tych

powodÛw takie procesory

wykonuj¹ operacje zawsze

tylko na zawartoúci rejest-

rÛw wewnÍtrznych, a†nie

komÛrek pamiÍci. Zawieraj¹

wiÍksz¹ liczbÍ takich rejes-

trÛw (16, 32 lub nawet wiÍ-

cej), a†wúrÛd rozkazÛw ope-

ruj¹cych na pamiÍci do-

puszczalne s¹ tylko rozkazy

Elektronika Praktyczna 1/2004

P O D Z E S P O Ł Y

transferu danych do i†z†re-

jestrÛw. Pobranie i†wykona-

nie takiego rozkazu w†jed-

nym takcie zegara jest moø-

liwe tylko w†architekturze

harwardzkiej - i†stanowi to

kolejny wyrÛønik proceso-

rÛw RISC. Oczywiúcie d³u-

goúÊ s³owa pamiÍci progra-

mu musi byÊ na tyle duøa,

by mieúci³ siÍ w†nim kom-

pletny rozkaz (jeden rozkaz

- jedna komÛrka pamiÍci).

Procesor pracuje ìna za-

k³adkÍî - w†czasie wykony-

wania jednego rozkazu rÛw-

noczeúnie pobierany jest

rozkaz nastÍpny. Technika

taka nazywana jest z†angiel-

skiego pipeliningiem , co

t³umaczone jest jako prze-

twarzanie potokowe .

Mikrokontrolery RISC

zwykle nie maj¹ zaimple-

mentowanego stosu umiesz-

czonego w†pamiÍci (z przy-

czyn jak wyøej), zamiast

niego wystÍpuje w†jednostce

centralnej specjalny rejestr

s³uø¹cy do przechowywania

adresÛw†powrotnych w†in-

strukcjach skoku ze úladem

(CALL). Czasami jest spoty-

kany stos sprzÍtowy, wyko-

rzystuj¹cy nie pamiÍÊ, ale

kilka przeznaczonych do te-

go dodatkowych rejestrÛw,

umieszczonych bezpoúrednio

w†jednostce centralnej. W†ra-

zie koniecznoúci stos uøyt-

kownika moøe byÊ realizo-

wany drog¹ programow¹.

D¹øenie do maksymalizacji

prÍdkoúci pracy procesorÛw

RISC i†ich specyficzne cechy

skutkuj¹ pewnymi komplika-

cjami w†opracowywaniu op-

rogramowania. Niewielki

asortyment rozkazÛw, brak

moøliwoúci bezpoúredniego

operowania na komÛrkach

pamiÍci, brak stosu, ko-

niecznoúÊ programowej re-

alizacji wielu instrukcji do-

stÍpnych w†procesorach

CISC powoduje, øe progra-

mowanie staje siÍ trudniej-

sze. Tym niemniej inne za-

lety zaowocowa³y wyraünie

zauwaøaln¹ ostatnio migra-

cj¹ rozwi¹zaÒ nowych mik-

rokontrolerÛw w†stronÍ

struktury RISC, czasem przy

pewnej rezygnacji z†niektÛ-

rych bardziej rygorystycz-

nych za³oøeÒ (trzyadreso-

woúÊ). Moøna tu wymieniÊ

AVR-y, CoolRisc firmy Xe-

mics i†- moøe nieco para-

doksalnie - MSP430, pomi-

mo jego architektury von

Neumanna i†dopuszczalnoúci

operowania na komÛrkach

pamiÍci. Jest to dobry przy-

k³ad wyjúcia poza pewne

ograniczenia struktury RISC,

ale z†zachowaniem jej zalet.

Jeøeli operandy umieszczane

s¹ w†rejestrach wewnÍtr-

znych, to pojedynczy rozkaz

wykonywany jest w†jednym

takcie zegara. Programista

ma jednak takøe moøliwoúÊ

operowania na danych za-

wartych w†komÛrkach pa-

miÍci, p³ac¹c za to udogod-

nienie wyd³uøeniem czasu

realizacji operacji.

Oczywiúcie øaden mikro-

kontroler ìczystymî RISC-

em byÊ nie moøe, chociaø-

znacznika przepe³nienia,

parzystoúci, przeniesienia

po³Ûwkowego, wyzerowanie

rejestru itp.), a drugim do-

celowy adres skoku. WystÍ-

powanie czÍúci adresowej

powoduje, øe w†trybie adre-

sowania bezpoúredniego

rozkaz staje siÍ d³ugi. Do

jego skrÛcenia stosowane s¹

zatem zwykle inne tryby

adresowania, a†wiÍc poúred-

nie poprzez rejestr lub -

przede wszystkim - wzglÍd-

ne. Ca³kowite usuniÍcie po-

la adresowego sta³o siÍ

moøliwe po wprowadzeniu

instrukcji SKIP IF zamiast

JUMP IF, w†mikrokontrole-

rach po raz pierwszy chyba

w†PIC-ach. Ta bardzo wy-

godna takøe dla programis-

ty instrukcja moøe byÊ in-

terpretowana jako warunko-

i†w†trakcie analizy programu

³atwo to przeoczyÊ. W†zasa-

dzie mikroprocesor powi-

nien mieÊ zaimplementowa-

ne w†liúcie instrukcji obie

wersje warunkowych rozga-

³ÍzieÒ programu, ale jest to

jednak przypadek rzadki.

WyrÛønia siÍ tu AVR,

w†ktÛrym wystÍpuj¹ skoki

warunkowane stanem do-

wolnego znacznika w†rejest-

rze statusu, a†takøe instruk-

cje SKIP uzaleønione od sta-

nu dowolnego bitu w†rejest-

rze lub w†jednym z†pierw-

szych 32 rejestrÛw wejúcia/

wyjúcia. Niestety rejestr sta-

tusu zawieraj¹cy znaczniki

ma adres 63 i†dla niego nie

moøna stosowaÊ instrukcji

SKIP IF. Bez tego manka-

mentu moøliwe by³oby za-

mienne wykorzystywanie

obu dostÍpnych instrukcji

dla realizowania rozga³ÍzieÒ

programu, warunkowanych

stanem dowolnego z†wielu

dostÍpnych w†rejestrze statu-

su znacznikÛw.

Konstruktorzy, szczególnie amatorzy, stosują

najczęściej elementy najlepiej im znane.

Wiele osób podchodzi przy tym często do

swojego wybrańca w sposób nadzwyczaj

emocjonalny, uważając go za niekwestionowa−

nego światowego lidera. Raz na kilka lat

wskazany byłby jednak rozwód, a przynaj−

mniej separacja ze swoim dotychczasowym

ukochanym.

Specyfika

mikrokontrolerÛw

System mikroprocesorowy

powstaje przez po³¹czenie

jednostki centralnej (CPU,

czyli ìrdzeniaî mikroproce-

sora), pamiÍci operacyjnej

i†rÛønego rodzaju urz¹dzeÒ

peryferyjnych. Jeøeli wszys-

tkie te elementy zostaj¹ zin-

tegrowane w†jednym uk³a-

dzie scalonym, tworz¹ mik-

rokomputer jednouk³adowy

( embedded microcomputer ),

mog¹cy samodzielnie, bez

dodatkowych komponentÛw,

pe³niÊ funkcjÍ systemu mik-

roprocesorowego. Traci siÍ

wÛwczas co prawda zaletÍ

uniwersalnoúci, bo na ro-

dzaj i†parametry wbudowa-

nych w†uk³ad scalony blo-

kÛw funkcjonalnych uøyt-

kownik nie ma øadnego

wp³ywu i†nie ma moøliwoú-

ci ich modyfikacji ani roz-

budowy, ale system ogrom-

nie zyskuje na prostocie. Ze

wzglÍdu na te ograniczenia

mikrokomputery jednouk³a-

dowe wykorzystywane s¹

masowo przede wszystkim

do realizacji prostych, de-

dykowanych uk³adÛw†stero-

wania (kuchenka mikrofalo-

wa, pralka) i†st¹d ich czÍú-

by ze wzglÍdu na koniecz-

noúÊ obs³ugi wbudowanych

uk³adÛw peryferyjnych, ale

najwaøniejszy postulat, aby

jedna instrukcja wykonywa-

na by³a w†jednym takcie ze-

gara bywa z†powodzeniem

realizowany.

wy skok w†przÛd o†jedn¹

pozycjÍ i†skutkuje po pros-

tu ominiÍciem nastÍpnego

rozkazu, jeøeli warunek jest

spe³niony. W†przeciwnym

przypadku rozkaz ten jest

wykonywany. Zamiast wa-

runkowego skoku mamy za-

tem warunkowe wykonanie

pojedynczego rozkazu ( rys.

11 ). Rozkaz ten moøe byÊ

dowolny. W†szczegÛlnoúci

moøe to byÊ instrukcja sko-

ku bezwarunkowego, ale

takøe np. ustawienie poje-

dynczego bitu czy teø wy-

wo³anie procedury (CALL).

ZwiÍksza to istotnie elas-

tycznoúÊ programowania,

poci¹ga za sob¹†wyraüne

zmniejszenie liczby etykiet

w†programie i†podnosi jego

przejrzystoúÊ.

Wad¹ takiego rozwi¹zania

jest to, øe zawsze potrzebna

jest dodatkowa instrukcja,

nawet jeøeli nastÍpuje po

niej rozkaz skoku. Ponadto

asemblery nie wyrÛøniaj¹

zwykle tych warunkowo wy-

konywanych instrukcji

JUMP IF... czy

SKIP IF...?

W†niemal kaødym uøy-

tecznym programie potrzeb-

ne s¹ instrukcje skokÛw

warunkowych (rozga³ÍzieÒ),

uzaleøniaj¹ce dalsze wyko-

nywanie programu od wyni-

ku wczeúniejszych operacji.

Z†punktu widzenia wygody

programowania i†zwartoúci

programu, im wiÍkszy jest

asortyment takich skokÛw -

tym lepiej. Przyk³adem

rdzenia mikrokontrolera

bardzo bogato wyposaøone-

go pod tym wzglÍdem mo-

øe byÊ AVR. Operacja sko-

ku warunkowego jest w†za-

sadzie dwuargumentowa -

jednym argumentem jest

warunek skoku (np. stan

Elektronika Praktyczna 1/2004

P O D Z E S P O Ł Y

Elektronika Praktyczna 1/2004

P O D Z E S P O Ł Y

za nazw¹, niczego wspÛlne-

go ze standardowym aku-

mulatorem maszyn jednoad-

resowych. Takie zadanie

moøe byÊ oczywiúcie zreali-

zowane w†kaødym mikro-

procesorze czy teø mikro-

kontrolerze, nawet w†8051,

ale pojawia siÍ tu krytycz-

ny problem z†czasem reali-

zacji. Procesory sygna³owe

stosowane s¹ w†aplikacjach

wymagaj¹cych jak najwiÍk-

szej szybkoúci, narzuconej

po prostu strumieniem cyf-

rowych danych wejúcio-

wych, bÍd¹cych reprezen-

tantem stosunkowo szybko

zmieniaj¹cych siÍ wielkoúci

analogowych. Dlatego teø

w†procesorach DSP jednost-

ka MAC jest zawsze realizo-

wana sprzÍtowo, aby ca³y

rozkaz mÛg³†byÊ wykonany

w†jednym takcie zegara. Po-

niewaø jednoczeúnie, z†uwa-

gi na wymagan¹ dok³adnoúÊ

przetwarzania, procesory ta-

kie operuj¹ na danych 16-

lub 32-bitowych, stanowi to

powaøne wyzwanie kon-

strukcyjne, tym bardziej

øe†akumulator powinien

mieÊ d³ugoúÊ odpowiednio

wiÍksz¹, aby wielokrotnie

powtarzane sumowanie wy-

nikÛw mnoøenia nie spowo-

dowa³y przepe³nienia. Co

prawda ewentualne wyst¹-

pienie przepe³nienia moøna

kontrolowaÊ programowo,

i†w†razie potrzeby korygo-

waÊ wynik, ale wymaga to

dodatkowych instrukcji

i†czasu poúwiÍcanego na

ich realizacjÍ. W†prostych,

16-bitowych, sta³oprzecinko-

wych procesorach sygna³o-

wych akumulator ma za-

zwyczaj d³ugoúÊ 40 bitÛw.

Osobom, ktÛre otar³y siÍ

o†projektowanie uk³adÛw

cyfrowych, moøna zapropo-

nowaÊ przymiarkÍ do opra-

cowania uk³adu o†72 wej-

úciach i†40 wyjúciach, w†ktÛ-

rym dopuszczalne jest wy-

st¹pienie kaødego z†ponad

4722366483000000000000

wektorÛw wejúciowych.

MoøliwoúÊ wyst¹pienia prze-

pe³nienia w†trakcie powta-

rzanych wielokrotnie opera-

cji jest zreszt¹ zmor¹ progra-

mistÛw DSP i†stanowi jedn¹

z†zasadniczych przyczyn

ewolucji w†kierunku jeszcze

bardziej skomplikowanych

32-bitowych procesorÛw

zmiennoprzecinkowych,

w†ktÛrych ten problem prak-

tycznie nie wystÍpuje.

Poza jednostkami MAC

(czasem nawet kilkoma,

czÍsto mog¹cymi pracowaÊ

rÛwnoczeúnie) w†proceso-

rach sygna³owych stosowa-

nych jest teø wiele innych,

niestandardowych rozwi¹-

zaÒ, w†tym specjalne tryby

adresowania i†nietypowe for-

maty danych. To, øe uk³ady

takie, mimo stosunkowo bar-

dzo duøego stopnia kompli-

kacji pozostaj¹ relatywnie

tanie zawdziÍczamy maso-

wej produkcji - w†zasadzie

w†kaødym telefonie komÛr-

kowym musi znajdowaÊ siÍ

element pe³ni¹cy tak¹ funk-

cjÍ, chociaø obecnie jest juø

zazwyczaj tylko czÍúci¹

wiÍkszego, wyspecjalizowa-

nego uk³adu scalonego.

t¹ mikrokontrolera o†wielu

naprawdÍ interesuj¹cych

rozwi¹zaniach, zaprojekto-

wanego przed niemal 25 la-

ty chyba optymalnie, bior¹c

pod uwagÍ wystÍpuj¹ce

ograniczenia technologiczne

i†ekonomiczne. Tym nie-

mniej jednoadresowoúÊ,

brak symetrii i†niektÛre in-

ne mankamenty powoduj¹,

øe obecnie jest to juø jed-

nak uk³ad nieco archaiczny.

Jest stosowany g³Ûwnie ìsi-

³¹ rozpÍduî i†przyzwyczajeÒ

projektantÛw, mimo po-

wszechnej dostÍpnoúci now-

szych i†w†jakimú stopniu

lepszych uk³adÛw. NiektÛre

jego cechy (chociaøby boga-

ty asortyment operacji bito-

wych) s¹ jednakøe nadal

nie do pobicia i†mog¹ bu-

dziÊ zazdroúÊ uøytkowni-

kÛw znacznie nowoczeúniej-

szych AVR-Ûw.

Ocena jakoúci i†przydat-

noúci mikrokontrolerÛw mu-

si byÊ zatem wielop³asz-

czyznowa i†uwzglÍdniaÊ

wiele cech i†parametrÛw,

najistotniejszych w†konkret-

nej aplikacji. Bogaty asorty-

ment i†jakoúÊ uk³adÛw pery-

feryjnych kompensowaÊ

moøe†mankamenty jednostki

centralnej ( vide : PIC-e),

a†zbyt ma³a pamiÍÊ progra-

mu uniemoøliwiÊ zastoso-

wanie elementu z†innych

wzglÍdÛw idealnego (cho-

ciaøby CoolRisca).

Najwaøniejsze cechy jed-

nostki centralnej okreúlaj¹ce

jej walory uøytkowe to:

- wieloadresowoúÊ,

- liczba rejestrÛw wewnÍ-

trznych,

- tryby adresowania,

- lista rozkazÛw, w†tym

operacje bitowe,

- liczba znacznikÛw i†asor-

tyment skokÛw warunko-

wych,

- symetria i†ortogonalnoúÊ,

- d³ugoúÊ s³owa danych

i†programu,

- obs³uga przerwaÒ,

- szybkoúÊ i†elastycznoúÊ

doboru czÍstotliwoúci tak-

towania.

Dla pamiÍci:

- wielkoúÊ ROM i†RAM,

przestrzenie adresowe,

- rodzaj pamiÍci programu,

sposÛb programowania,

- dodatkowa pamiÍÊ EEP-

ROM dla danych.

Uk³ady peryferyjne:

- dostÍpny asortyment -

porty, uk³ady licznikowo-

czasowe (timery z†ewen-

tualnymi opcjami capture

i† compare ), CRC, I 2 C,

U(S)ART, CAN, USB,

DAC, PWM, ADC, sprzÍ-

towy multiplikator,

- parametry i†sposÛb obs³ugi.

Inne:

- dostÍpnoúÊ, popularnoúÊ,

przyzwyczajenia projek-

tanta, cena itp.,

- napiÍcie zasilania i†pobÛr

mocy,

- rodzaj obudowy,

- dostÍpnoúÊ i†cena narzÍ-

dzi uruchomieniowych.

Jak widaÊ dobÛr mikro-

kontrolera dla konkretnej

aplikacji nie zawsze jest

prosty i†czÍsto wymaga

przeanalizowania wielu pa-

rametrÛw. W†praktyce kon-

struktorzy, szczegÛlnie ama-

torzy, stosuj¹ najczÍúciej ele-

menty najlepiej im znane,

co zreszt¹ nie jest niczym

nagannym i†pozwala na

szybsze opracowanie projek-

tu. Wiele osÛb podchodzi

przy tym czÍsto do swojego

wybraÒca w†sposÛb†nadzwy-

czaj emocjonalny, uwaøaj¹c

go za niekwestionowanego

úwiatowego lidera. Raz na

kilka lat wskazany by³by

jednak rodzaj rozwodu,

a†przynajmniej separacji ze

swoim dotychczasowym

ìukochanymî. Chociaøby

chwilowe posmakowanie

czegoú innego.

Maciej Nowiñski

Kryteria oceny

mikrokontrolerÛw

W†prostych aplikacjach

daje siÍ zauwaøyÊ przygnia-

taj¹ca przewaga iloúciowa

mikrokontrolerÛw nad mik-

roprocesorami uniwersalny-

mi, szczegÛlnie w†konstruk-

cjach amatorskich. Niestety,

nie istnieje mikrokontroler

doskona³y, bo z†przyczyn

wskazanych wyøej jego

architektura wynika z†jakie-

goú kompromisu. DobÛr

mikrokontrolera do konkret-

nego zastosowania powinien

byÊ zatem poprzedzony oce-

n¹ przydatnoúci rÛønych

uk³adÛw. W†Polsce (i nie

tylko) panuje pewna mono-

kultura klonÛw 8051, zresz-

Elektronika Praktyczna 1/2004

P O D Z E S P O Ł Y

Mikroprocesor - nie zawsze znaczy to samo_2.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: