Особенности проектирования софт - процессора: решаемые задачи

Для решения широкого спектра задач электроники, как правило, выбирают метод, основанный на сочетании нескольких блоков:

• •    Блок, реализуемый логикой ПЛИС для критических процессов;

• •    Блок элементов программного управления, выполненного в виде софт-процессора, предназначенного для осуществления коммутации с внешними узлами, что сокращает временные затраты на отладку и верификацию алгоритмов.

В подобных случаях от софт-процессоров не требуется высокая производительность, сложная система прерывания или поддержка различных систем команд, они могут быть примитивными и работать с определенными интерфейсами [2]. Целевыми показателями для процессорных ядер будут являться: возможность оптимизирования под задачу, большая плотность программного кода, позволяющая экономить память ПЛИС, компактность.

Однако так как от качества микропроцессорных ядер зависят технические и потребительские свойства систем на кристалле, они являются одним из важнейших классов вычислительных заготовок, которые в зависимости от уровня гибкости настройки можно разделить на 3 группы:

• •    Программные заготовки (описаны на языке HDL),

• •    Жёсткие заготовки (логические схемы),

• •    Аппаратные заготовки (маски под определенную технологию).

Программные заготовки будут являться самыми универсальными, так как:

• •    легко подстраиваются к ограничениям новой модели за счёт несложной перенастройки, приводящей к ряду модификаций с различным сочетанием объёма памяти, периферийных устройств и т.д.;

• •    обладают высоким быстродействием;

• •    независимы от технологий;

• •    могут быть реализованы и синтезированы в ПЛИС различных компаний-производителей.

Рассмотрим применение софт-процессоров в двух конкретных случаях: в системах цифровой обработки сигналов и во встраиваемых приложениях.

Исходя из того, что технические характеристики схем на основе ПЛИС хуже, чем у аналогичных специализированных микросхем, при проектировании процессора следует учитывать следующие отличительные черты ПЛИС:

• •    Возможность реализации параллельно работающих вычислительных структур и аппаратных ускорителей цифровых интерфейсов;

• •    Большое количество аппаратных блоков, позволяющих обеспечить суммарную производительность от GMAC/с до TMAC/с.

При использовании процессора в системе цифровой обработки сигналов основная производительность обеспечивается узлами, собранными на основе компонентов DSP [1]. В свою очередь, процессорное ядро решает вспомогательные задачи, такие как:

• •    Настройка;

• •    Калибровка;

• •    Мониторинг работы;

• •    Организация интерфейса с оператором и внешними микросхемами.

Следовательно, на первый план выходит задача тесной интеграции с модулями цифровой обработки сигналов.

Следующей немаловажной проблемой процесса проектирования является способность поддержания постоянства интервала дискретизации по времени ∆t. Сохранения потактовой точности крайне трудно добиться, так как без своевременного принятия в процессоре специализированных мер возможно выполнение операций обработки интерфейсов, прерывания, а при наличии кэш-памяти не исключены промахи при доступе к данным.

Решение подобной задачи заключается в использовании аппаратных обработчиков на базе программируемых ячеек и блоков DSP ПЛИС, способных потактно предсказывать поведение, а включение процессора позволить разрешить ряд вопросов, связанных с изменением параметров фильтрации на программном уровне.

Использование софт-процессоров во встраиваемых системах целесообразно для организации работы микроконтроллера вокруг обработчиков прерывания в случае приложения с большим количеством протекающих процессов разнородного характера.

Так как линейное исполнение основного алгоритма сочетается с обработкой запросов на прерывание от различных внешних источников и периферийных устройств самого микроконтроллера, то одновременный приход нескольких запросов на прерывание способен привести к аварийной ситуации.

Решением подобной проблемы будет являться применение софт-процессора, позволяющее взять на себя вспомогательные задачи, которые требуют интенсивных вычислений.

Центральный процессор, как и в случае систем цифровой обработки, направлен на реализацию функций управления, мониторинга и организации внешних интерфейсов.