Chíp xử lý, điều khiển nhúng Cấu trúc và Phân loại

Sự phát triển nhanh chóng của các chủng loại Chip khả trình với mật độ tích hợp cao đã và đang có một tác động đáng kể đến sự thay đổi trong việc thiết kế các nền phần cứng của thiết bị xử lý và điều khiển nhúng trong thập kỷ gần đây. Mỗi chủng loại đều có những
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chíp xử lý, điều khiển nhúng Cấu trúc và Phân loạiChíp xử lý, điều khiển nhúng Cấu trúc và Phân loạiSự phát triển nhanh chóng của các chủng loại Chip khả trình với mật độ tích hợpcao đã và đang có một tác động đáng kể đến sự thay đổi trong việc thiết kế các nềnphần cứng của thiết bị xử lý và điều khiển nhúng trong thập kỷ gần đây. Mỗi chủngloại đều có những đặc điểm phạm vi ứng dụng và luôn không ngừng phát triển đểđáp ứng một cách tốt nhất các yêu cầu ứng dụng. Bài viết này giới thiệu ngắn gọnvề các chủng loại chip xử lý, điều khiển nhúng điển hình đang tồn tại, phát triểntheo một số đặc trưng và hướng phạm vi ứng dụng của chúng.Có thể thấy sự tồn tại rất đa dạng của hàng loạt các chủng loại Chip khả trình cóthể sử dụng cho các bài toán thiết kế hệ nhúng. Phổ biến hiện nay là các các họ vixử lý (VXL)/vi điều khiển (VĐK) nhúng (em-bedded micro processor/microcon-troller), Chip DSP (Digital Signal Processing), các Chip khả trình trường (FPD –Field Programmable Device). Chúng ta dễ bị lúng túng nếu bắt đầu công việc thiếtkế bằng việc tìm kiếm một Chip xử lý điều khiển phù hợp cho ứng dụng. Vì vậy,cần phải có một hiểu biết và sự phân biệt nhất định về đặc điểm cấu trúc, ứng dụngcủa chúng khi lựa chọn cho giải pháp thiết kế. Ngoài ra các thông tin liên quan nhưnhà cung cấp Chip, kiến thức hiểu biết về thiết kế thực thi và công cụ phát triển hỗtrợ, giá thành… cũng là điều đáng quan tâm.Chip P C nhúngĐây là một chủng loại rất điển hình và đang được sử dụng rất phổ biến hiện này[3], [4]. Chúng được ra đời và ứng dụng dựa trên nền tảng của sự phát triển Chipxử lý ứng dụng cho máy tính. Vì đối tượng ứng dụng là các thiết bị nhúng nên cấutrúc cũng được thay đổi theo để đáp ứng một cách linh hoạt nhất các ứng dụngchuyên biệt. Hiện nay chúng ta có thể thấy các họ VXL/ VĐK cung cấp bởi cácnhà chế tạo như, Intel, Atmel, Microchip, Motorola, Infineon... Về cấu trúc, chúngkế thừa nguyên lý các Chíp xử lý phát triển cho PC nhưng ở mức độ đơn giản hơnnhiều về công năng và tài nguyên. Phổ biến vẫn là các Chip 8 bit, 16 bit, và 32 bit.Về bản chất cấu trúc, chip vi điều khiển là chip vi xử lý được tích hợp thêm cácngoại vi. Các ngoại vi thường là các khối chức năng thông dụng như bộ định thờigian, bộ đếm, bộ chuyển đổi A/D, giao diện song song, nối tiếp… Mức độ tích hợpngoại vi cũng đa dạng. Tuỳ thuộc vào mục đích ứng dụng sẽ có thể tìm được Chipphù hợp. Thực tế với các ứng dụng yêu cầu độ tích hợp cao sẽ sử dụng giải pháptích hợp trên Chip. Tuy nhiên, hầu hết các Chip đều cung cấp giải pháp để mở rộngngoại vi đáp ứng một cách linh hoạt và mềm dẻo cho các ứng dụng cụ thể. Hình 1: Kiến trúc điển hình của VĐKChip DSPDSP vẫn được biết tới như một loại vi điều khiển đặc chủng với khả năng xử lýnhanh để phục vụ các bài toán yêu cầu khối lượng và tốc độ xử lý tính toán lớn.Với ưu điểm nổi bật về độ rộng băng thông của bus và thanh ghi tích luỹ, cho phépALU xử lý song song với tốc độ đọc và xử lý lệnh nhanh hơn các loại vi điều khiểnthông thường. Chip DSP lại cho phép thực hiện nhiều lệnh trong một nhịp nhờ vàokiến trúc bộ nhớ Havard với băng thông rộng [2].Thông thường khi phải sử dụng DSP tức là để đáp ứng các bài toán tính toán lớnvà tốc độ cao vì vậy định dạng biểu diễn toán học sẽ là một yếu tố quan trọng đểphân loại và được quan tâm. Hiện nay chủ yếu chúng vẫn được phân loại theo haikiểu là dấu phảy động (floating-point) và dấu phảy tĩnh (fixed-point). Đây cũngchính là một yếu tố quan trọng phải quan tâm đối với người thiết kế để lựa chọnđược một DSP phù hợp với ứng dụng của mình. Các loại DSP dấu phảy tĩnhthường là loại 16-bit hoặc 24-bit còn các loại dấu phảy động thường là 32-bit. Mộtví dụ điển hình về DSP 16-bit dấu phảy tĩnh là TMS320C55x [2], biểu diễn và xửlý các số nguyên 16 bit hoặc các số thực trong một miền giá trị cố định. Tuy nhiên,các giá trị và dữ liệu trung gian có thể được lưu trữ với độ chính xác là 32-bit trongthanh ghi tích luỹ 40-bit nhằm giảm thiểu lỗi tính toán do phép làm tròn trong quátrình tính toán. Thông thường các loại DSP dấu phảy tĩnh có giá thành rẻ hơn cácloại DSP dấu phảy động vì yêu cầu số lượng chân tích hợp on-chip ít hơn, cần sửdụng lượng silicon ít hơn.Ưu điểm nổi bật của các DSP dấu phảyđộng là có thể xử lý, biểu diễn số trongdải phạm vi giá trị rộng và động. Do đóvấn đề về chuyển đổi và hạn chế về phạmvi biểu diễn số không phải quan tâm nhưđối với loại DSP dấu phảy tĩnh. Một loại Hình 2: Cấu trúc điển hình của PALDSP 32-bit dấu phảy động điển hình làTMS320C67x có thể xử lý và biểu diễn số gồm 24-bit mantissa và 8-bit exponent.Phần mantissa biểu diễn phần +1.0 và phần exponent b ...