Встроенные процессоры

Типы процессоров
Процессоры могут быть следующих категорий –

• 
  Процессор общего назначения (GPP)
  
  • 
    Микропроцессор
    
  • 
    микроконтроллер
    
  • 
    Встроенный процессор
    
  • 
    Цифровой сигнальный процессор
    
  • 
    Медиапроцессор
    
• 
  Системный процессор для приложений (ASSP)
  
• 
  Специфичные для приложений процессорные инструкции (ASIP)
  
• 
  Ядра (и) GPP или ядро ​​(а) ASIP либо в интегральной микросхеме конкретного приложения (ASIC), либо в схеме очень большой интеграции (VLSI).
  

Процессор общего назначения (GPP)
Системный процессор для приложений (ASSP)
Специфичные для приложений процессорные инструкции (ASIP)
Ядра (и) GPP или ядро ​​(а) ASIP либо в интегральной микросхеме конкретного приложения (ASIC), либо в схеме очень большой интеграции (VLSI).
Принцип работы Графический процессор встроен в материнскую плату Графический процессор интегрируется в материнскую плату компьютера — так выглядит встроенный графический процессор. Как правило, используют его, чтобы убрать необходимость установки графического адаптера — видеокарты. Такая технология помогает снизить себестоимость готового продукта. Кроме того, благодаря компактности и нетребовательного энергопотребления таких процессоров их часто устанавливают в ноутбуки и маломощные настольные компьютеры. Таким образом, встроенные графические процессоры заполонили эту нишу настолько, что 90% ноутбуков на полках магазинов США имеют именно такой процессор. Вместо обычной видеокарты во встроенных графиках часто вспомогательным средством служит сама оперативная память компьютера. Правда, такое решение несколько ограничивает производительность девайса. Всё же сам компьютер и графический процессор используют одну шину для памяти. Так что подобное “соседство” сказывается на выполнении задач, особенно при работе со сложной графикой и во время игрового процесса. к содержанию ↑ Виды Виды графических процессоров Встроенная графика имеет три группы: Графика с разделяемой памятью — устройство, в основе которого совместное с главным процессором управление оперативной памятью. Это значительно уменьшает стоимость, улучшает систему энергосбережения, однако ухудшает производительность. Соответственно, для тех, кто работает со сложными программами, встроенные графические процессоры такого вида с большей вероятностью не подойдут. Дискретная графика — видеочип и один-два модуля видеопамяти распаяны на системной плате. Благодаря этой технологии существенно улучшается качество изображения, а также становится возможным работать с трехмерной графикой с наилучшими результатами. Правда, заплатить за это придется немало, а если вы и подыскиваете высокомощный процессор по всем параметрам, то стоимость может быть неимоверно высокой. К тому же, счет за электричество несколько вырастет — энергопотребление дискретных графических процессоров выше обычного. Гибридная дискретная графика — сочетание двух предыдущих видов, что обеспечило создание шины PCI Express. Таким образом, доступ к памяти осуществляется и через распаянную видеопамять, и через оперативную. С помощью этого решения производители хотели создать компромиссное решение, но оно все же не нивелирует недостатки.

Процессоры и программное обеспечение, используемые в новых конструкциях встроенных систем
Ежегодные обзоры разработчиков, работающих над новыми встроенными устройствами, выполняются несколькими популярными отраслевыми изданиями (Представленные данные содержатся в обзоре 2006 г. рынка встроенных устройств, выполненного EETimes и Embedded Systems Design Magazine, www.embedded.com). Интересно пронаблюдать за общими тенденциями, раскрытыми этими обзорами, и увидеть, какие типы новых встроенных систем разрабатываются в настоящее время. Рисунок 1.4 показывает разрядность процессоров, которые используются в настоящее время в новых разработках встроенных устройств. Как можно видеть, большинство текущих разработок сосредоточено вокруг 32-битных процессоров. Это не удивительно, так как с учетом продолжающегося развития технологии VLSI тенденция всегда была направлена в сторону использования во встроенных устройствах все более мощных процессоров. Программный код и приложения, выполняющиеся на новых встроенных устройствах, также продолжают усложняться и требуют все больше памяти.


Рис. 1.4. Разрядность процессоров, используемых в новых разработках встроенных устройств
Рисунок 1.5 показывает данные годовых продаж 32 и 64-битных микропроцессоров за 2002 г. Процессоры на основе ARM и X86 имеют самую большую долю рынка, а вслед за ними следуют несколько других RISC-процессоров, MIPS, SuperH, и PowerPC. Считается, что текущие данные должны быть похожими, но они недоступны публично. Процессоры ARM являются 32-битными RISC процессорами с низким энергопотреблением английской компании, ARM ltd (Advanced RISC Machines) http://www.arm.com/.
ARM не производит никаких микросхем процессоров, но получает прибыль от лицензирования своей разработки ARM IP производителям полупроводников, которые производят свои собственные версии процессора ARM. Разработка процессора ARM лицензирована более чем 100 производителям микросхем. ARM используется во многих устройствах, таких как сотовые телефоны, iPod Nano, фотокамеры, игровые приставки, HDTV, декодерах каналов кабельного ТВ. 80% процессоров ARM находится в сотовых телефонах. Хорошее соотношение производительность/энергопотребление делает его очень популярным выбором в устройствах, работающих со слабым источником питания и на батареях. Специальное подмножество инструкций ARM кодируется как 16-битные и распаковывается на лету в 32-битные инструкции. Он может переключаться из 16-битных в 32-битные инструкции на уровне подпрограмм. Это помогает уменьшить стоимость памяти в небольших устройствах.
Семейство процессоров X86 основывается на множестве инструкций Intel 80X86 CISC, которое используется в процессорах настольных ПК со средины 1980-х. Процессоры на основе X86 имеют достаточно низкую стоимость благодаря своему широкому применению в технологии ПК. Процессоры X86 и микросхемы поддержки доступны от множества поставщиков. В устройствах X86 доступен широкий диапазон значений отношения цена/производительность. Большинство процессоров X86 для настольных ПК были оптимизированы для производительности, а не для низкого потребления энергии. Основные поставщики процессоров настольных ПК (Intel, AMD) развивают новые конструкции и 64-битную архитектуры, но ряд других производителей делают теперь процессоры X86 для встроенных устройств.
Использование ядер ОС реального времени в новых встроенных конструкциях
Рисунок 1.7 показывает, что большинство новых встроенных устройств имеет операционную систему. В этих устройствах с операционной системой наиболее популярным выбором является готовая коммерческая операционная система. Несколько исследований и обзоров показали, что ОС с открытым исходным кодом сохраняют существующую или, возможно, даже теряют свою долю рынка. Одно из исследований указывает, что общая стоимость разработки продукта может в реальности быть выше для ОС с открытым исходным кодом, если будут включены время разработки, зарплата, и другие лицензионные отчисления. Одной из упоминаемых причин этого является зрелость продукта и легкость разработки, предоставляемая коммерческими операционными системами, доступными в настоящее время для встроенных устройств. Лицензии Open Source могут также требовать, чтобы производитель опубликовал исходный код устройства, и многие не хотят делать это, так как конкуренты могут использовать его для разработки аналогичных продуктов.
В обзоре коммерческих операционных в 2006 г. система Microsoft Embedded имела самую большую долю рынка, как видно на рисунке 1.8. Microsoft Embedded состоит из обоих систем, Windows Embedded XP и Windows Embedded CE. Затем идет VxWorks OS компании Wind River Systems. Symbian является ОС, которая широко используется в сотовых телефонах.
Языки программирования, используемые во встроенных устройствах
Отметим, что форма, в которой был поставлен вопрос в опросе, предполагает, что этот ответ не означает, что одна треть кода написана на языке ассемблера. Этот ответ означает скорее, что одна треть разработчиков все еще вынуждена использовать язык ассемблера в некоторых местах своей разработки. Другие обзоры указывают, что объем кода на языке ассемблера будет где-то меньше чем 5-10 процентов разработанного для новых встроенных устройств кода. Даже код ROM BIOS персонального компьютера, который является одним из последних бастионов языка ассемблера, в настоящее время преобразуется в С основными производителями ПК.
В заключение необходимо отметить, что большинство встроенных устройств используют достаточно мощные 32-битные процессоры. Большинство устройств достаточно сложные, так что требуют наличия операционной системы. В тех устройствах, которые имеют операционную систему, это будет, скорее всего, коммерческая операционная система. Большая часть работы по разработке для встроенных устройств в настоящее время выполняется с помощью языков семейства С. Язык ассемблера может все еще использоваться в небольшом количестве низкоуровневых процедур на некоторых устройствах, но его использование продолжает сокращаться.
В оставшейся части этого документа мы будем использовать Windows Embedded CE, одну из наиболее популярных коммерческих встроенных операционных систем реального времени, в примерах и лабораторных проектах на встроенной компьютерной системе eBox.
Жизненный цикл встроенного продукта показан на рисунке 1.10. Начальная фаза концептуального проектирования нового продукта включает некоторое предвидение продукта на основе предсказаний рынка, потребностей клиентов, и развития технологии. При планировании продукта делается экономическое обоснование для продукта с оценками количества единиц продаж, цены, и прибыли. Это приводит к созданию начального макета продукта, проектной спецификации, и маркетингового плана продукта. На этом этапе могут также привлекаться промышленные дизайнеры для создания концепции упаковки нового продукта.
Не забывайте, что цена продаж должна покрывать расходы компании на маркетинг, проектирование, и разработку помимо расходов на производство каждой единицы продукта. Это зависит от объема продаж, но уровень цены в два или три раза превышающий расходы на производство единицы продукта не является необычным.
Большая часть усилий по аппаратной и программной реализации происходят в конце этапа проектирования и на стадии разработки. Критический анализ проектных решений помогает определить, возможно ли физически реализовать концепцию проекта с учетом спецификаций проекта. Электротехнический и программный макет часто создается перед анализом проектных решений. Затем проектируется небольшое число прототипов, конструируется, и используется для более детального аппаратного и программного тестирования. Фазы жизненного цикла создания встроенного устройства: Конструирование, Разработка, и Производство
Наконец, в производственной фазе производится большое количество продукта. Сначала обычно создается небольшая пилотная партия для дополнительного тестирования и оценки перед началом массового производства. Инженеры по качеству непрерывно работают над улучшением качества продукта и процесса. Инженеры службы поддержки имеют дело с изменениями, которые следуют после представления нового продукта и предоставляют техническую поддержку продукта. С учетом текущих тенденций глобализации массовое производство нового встроенного устройства часто происходит в другой стране, где это более экономически выгодно. Для многих встроенных устройств весь процесс требует от шести месяцев до года, но конкурентный рынок постоянно заставляет сокращать жизненный цикл продукта.
Разработка проекта встроенной системы
Основные усилия по созданию программного обеспечения и инженерному проектированию происходят в фазе разработки, которая будет описана теперь более подробно. Прежде всего конструкторы должны выбрать процессор и операционную систему. Выбор процессора для встроенного устройства включает много факторов для рассмотрения, таких как цена, производительность, потребляемая энергия, и программная поддержка.
С учетом того, что для большинства встроенных устройств сегодня требуется операционная система, доступность соответствующей ОС, драйверы устройств, прикладные программы, и необходимые компиляторы и инструменты разработки программного обеспечения являются основным фактором рассмотрения для любого нового проекта, возможно даже более важным, чем выбор процессора.
Производители предоставляют руководства с описанием своих процессоров и обычно предоставляют разработчикам полную разработку эталонной платы, которую можно использовать в качестве исходной точки при разработке новой конструкции компьютера, использующей этот процессор. Подробное описание каждого отдельного процессора, устройства памяти, и всех требуемых микросхем находится за рамками данного руководства, но некоторые из самых общих свойств оборудования, которые непосредственно влияют на создание программного обеспечения, будут рассмотрены позже.
После того как конструктор оборудования встроенной системы выбрал процессор и его соответствующие устройства памяти, следующий шаг состоит в добавлении аппаратных устройств ввода/вывода и соответствующей структуры шины, необходимой для соединения требуемых устройств с процессором. Так как процессоры уже спроектированы производителем и интерфейсы памяти в большой степени диктуются процессором, то значительная часть усилий по проектированию оборудования во встроенных устройствах посвящена выбору и соединению оборудования, необходимого для различных устройств ввода/вывода, требуемого в новой конструкции.
После тщательного ввода принципиальной схемы конструкции, для встроенного устройства проектируется печатная плата (printed circuit board -- PCB) с помощью автоматизированной системы проектирования (CAD) печатных плат. Этот инструмент импортирует информацию о соединениях контактов из принципиальной схемы и использует ее для проектирования и проверки медных проводников, используемых для соединения интегральных микросхем (IC) на печатной плате. Создается несколько печатных плат, заполняется необходимыми компонентами, и затем используется для выполнения обширных тестов программного обеспечения на новой конструкции. Любые ошибки конструкции оборудования обнаруженные во время тестирования будут требовать изменения в принципиальной схеме, модификации конструкции печатной платы, и нового цикла производства печатных плат и тестирования, что увеличит соответственно время разработки.
Средства разработки программного обеспечения обычно поставляются вместе с ОС. Так как ОС написана на C/C++, то для генерации новой ОС требуются компилятор, редактор связей, отладчик и инструменты двоичного образа. Эти же инструменты используются обычно для разработки приложений.
Разработка программного обеспечения происходит параллельно разработке оборудования с целью сокращения общего времени разработки продукта. Это становится еще более важным, учитывая все сокращающийся жизненный цикл продуктов современных встроенных устройств. Для разработки и тестирования программного обеспечения можно использовать средства эмуляции и встроенные компьютерные платы с аналогичным оборудованием, выполняющим ту же самую ОС, прежде чем станет доступна новая аппаратная платформа. Так как большая часть кода написана на C/C++/C#, большую часть программного обеспечения может даже разрабатываться и тестироваться на другом процессоре или эмуляторе. Код затем перекомпилируется для нового процессора для последнего круга разработки и тестирования, когда станет доступно новое оборудование.
В Windows Embedded CE имеется эмулятор ARM вместе с инструментами разработки, для начальной разработки программного обеспечения и тестирования, прежде чем станет доступна новая аппаратная платформа, можно использовать устройство на базе ПК X86 (называемое CEPC), или встроенную компьютерную плату (называемую целевым устройством).
Технологии памяти используемые во встроенных устройствах
Большинство встроенных устройств в настоящее время используют два типа памяти, SDRAM или иногда, возможно, SRAM для основной памяти и память Flash или ROM для энергонезависимой памяти. SDRAM имеет значительно меньшую стоимость за бит памяти, чем SRAM, но требует более сложный аппаратный контроллер для периодических циклов обновления динамической памяти. Одним из важных решений, которое должно быть сделано в начале процесса проектирования, является вопрос о том, сколько памяти каждого типа необходимо устройству.
Операционная система и прикладные программы обычно хранятся во flash-памяти, так как большинство встроенных устройств не имеют устройства жесткого диска. Жесткие диски имеют более высокий уровень отказов, они требуют больше пространства, и питания, поэтому они не являются жизненной необходимостью для многих встроенных конструкций, особенно в небольших мобильных и использующих батарею устройствах.