-
1
TIES530 - Sulautettujen järjestelmien arkkitehtuurit
Jukka Ihalainen, [email protected]
Tietoliikennelaboratorio, http://rf.chydenius.fi
Luento 2: Tietokonearkkitehtuurit
Yleinen arkkitehtuuri
-
2
Konsepti
• Laitteita ja ohjelmistoja– lähimpänä rautaa ns.
firmware –ohjelmisto, joka alustaa laitteiston käynnistyksen
yhteydessä
• tämä on monesti pienen sulautetun järjestelmän itse
ohjelmisto
– bootloader on pieni alkulatausohjelma, joka lataa varsinaisen
KJ:n
Hardware
Firmware
Operating System
Applications
Hardware
Firmware
Operating System
Application(s)
Hardware
FirmwareAppli-cation
PöytäkoneIso
sulautettu järjestelmä
Pieni sulautettu järjestelmä
Konsepti…• kerrosmainen ajattelu
– firmwaren päällä käyttöjärjestelmä, joka sulautetuissa
järjestelmissä on usein reaaliaikainen käyttöjärjestelmä (tehtävien
vasteajat oltava pienet tai ainakin niille voitava määritellä
vasteaikarajat)
• KJ tai FW ohjaa laitteen käyttöä (syöttö, tulostus,
muisti…)
• monet sulautetut järjestelmät eivät tarvitse
käyttöjärjestelmää, vaan systeemit yksinkertaisesti suorittavat
niille ohjelmoitua tehtävää– kaukosäädin ei tarvitse
käyttöjärjestelmää– reititin on sulautettu järjestelmä, jossa usein
käyttöjärjestelmä
mukana (esim. Cisco IOS)
-
3
Konsepti…
• Prosessori(t) systeemin ytimenä– jokaisella prosessorityypillä
oma käskykanta– periaate sama: haetaan muistista tieto,
tulkitaan
se, suoritetaan – tieto binäärisenä: 1011 0000 0100 1111 1111
0111– tieto heksana: B0 4F F7– Assemlykielisenä voisi olla:
ADD.B #0xFF, W7 ; Add the byte -1 to register W7
Konsepti…
• Muut laitteet– prosessorista/kontrollerista/sovelluksesta
riippuen erilaisia ympäryslaitteita tarvitaan• teholähteitä•
muistia• näyttöjä ja näppäimiä• antureita ja toimilaitteita•
ym….
-
4
Systeemiarkkitehtuuri• Mikrotietokone koostuu
– mikroprosessori, muistit ja liityntäpiirit• osia yhdistää
kolme väylää
– tietoväylä (Data Bus), osoiteväylä (Address Bus) sekä
ohjausväylä (Control Bus)
– lisäksi ulkoisia ohjauksia kuten kello, resetointi ja
keskeytykset
Mikroprosessorit
• Yleisiä mikroprosessoreita– Intel Pentium– Motorola/IBM
PowerPC– MIPS (SGI Unix,
Sony, Nintendo)– ARM– Ultra SPARC
-
5
Mikrokontrollerit
• mikrokontrolleri on prosessorin, muistin ja joidenkin i/o
laitteiden integroitu piiri, joka on tarkoitettu käytettäväksi
sulautetuissa järjestelmissä
• valmistajia huomattavasti enemmän kuin mikroprosessoreilla
– koot vaihtelevat pienistä PIC tai AVR –kontrollereista
tehokkaisiin 32-bittisiin ARM, PowerPC ym. prosessoreihin
– Lisäksi SOC prosessorit (System-On-Chip)
• kuvassa TI/Chipcon CC2430
• Von Neumann arkkitehtuuri: 1 muisti(RAM) jossa sekä data että
ohjelmakoodi
• Alkuperäisen Harvard arkkitehtuurintapauksessa käytettiin
kahta muistia joillaomat väylänsä: yksi dataa ja toinen
koodiavarten.
-
6
ALU• periaatteessa 6 perusfunktiota, joita prosessori voi
suorittaa
– kirjoittaa dataa muistiin tai i/o-laitteelle– lukea dataa
muistista tai i/o-laitteelta– lukea käskyn muistista– muokata dataa
prosessorien rekistereissä
• aritmeettis-loogisessa yksikössä (ALU, ArithmeticLogic Unit)
suoritetaan datan muokkaus– lisäys, vähennys, kertominen,
jakaminen, NOT, AND, NAND, OR, NOR, XOR, bittisiirrot ja
–kierrot
-
7
Rekisterit
• prosessorin sisäisiä muistipaikkoja• välitetään tietoa
paikasta toiseen prosessorin
sisällä• nimet, määrä ja leveys prosessorikohtaisia• esim.
CC2430 sisältää
– erikoisrekistereitä 120 kpl– CPU:n rekistereitä:Akku (A),
R-rekisterit (R0…R7), B-
rekisteri, ohjelmalaskuri (PC), dataosoitin (DPTR), pino-osoitin
(SP), prosessorin tilasana (PSW)
-
8
Pinot• prosessorit toteuttavat
yhden tai useamman pinon, joka on väliaikainen muistipaikka
käyttömuistissa (RAM)– prosessori voi viedä pinoon
(PUSH) tietoa rekisteristä ja se voi palauttaa pinosta (POP or
PULL) tietoa
– pino voi täyttyä joko ylhäältä alaspäin (intelin8086) tai
alhaalta ylöspäin (cc2430)
Väylät
• Osoiteväylä– väylän leveys määrää sen kuinka paljon
muistia
voidaan liittää• esim 16 bittinen 216 = 65536 osoitettavaa
muistipaikkaa– osoiteväylän liitäntöjä merkitään yleensä A-
kirjaimella (A0, A1, A2, …, An)– osoiteväylän ylimmät bitit
kytkeytyvät
tavallisesti osoitekooderille
-
9
Väylät…
• Osoitekooderi– jos mikrotietokoneen muisti koostuu useammasta
piiristä tai jos siinä on
useampia liitäntäpiirejä niin tarvitaan osoitekooderi, joka
selvittää mille piirille väylällä oleva osoite kuuluu
Väylät…• Tietoväylä
– kaksisuuntainen, leveys 4, 8, 16, 32 tai 64 bittiä–
tietoväylän liitäntöjä merkitään yleensä D-kirjaimella
(D0, D1, D2, …, Dn)– tietoväylälle kytkeytyvien komponenttien
lähtöliitännät
ovat ns. kolmitilalähtöjä (Tri-State Output)• lähtö voi olla
kolmessa tilassa: ala-, ylä- tai
suurimpedanssisessa tilassa• suurimpedanssinen tila vastaa
tilannetta, jossa väylä kytketään
irti lähtöliitännästä• prosessori huolehtii, että vain yksi
komponentti kerrallaan voi
liittyä tietoväylään
-
10
Väylät…• Yhdistetty tieto- ja osoiteväylä
– osoite ja data vuorottelevat samoissa prosessorin
liitännöissä– tyypillinen monissa Intelin prosessoreissa ja
kontrollereissa – väylän liitäntöjä merkitään usein AD
kirjainparilla (AD0, AD1, AD2 … ADn)– tarvitaan ulkoinen
väyläerotin
• prosessori syöttää yhdistetylle väylälle ensin osoitteen, joka
lukitaan lukkopiirin lähtöihin• lukituksen jälkeen lukkopiiri
irrotetaan ja väylä toimii normaalina tietoväylänä
Väylät…
• Ohjausväylä– tuloja ja lähtöjä– näillä prosessori ohjaa
laitteita (luku/kirjoitus)– näistä prosessori myös
saa tietoa laitteilta
-
11
Big-endian ja Little-endian
• prosessori voi tallettaa tietoa kahdella eri tavalla (koskee
16 bittisiä tai suurempia sanoja)– big-endian tapauksessa
prosessori tallettaa sanan eniten merkitsevän tavun vähiten
merkitsevään osoitteeseen
– little-endian tapauksessa sanan eniten merkitsevä tavu eniten
merkitsevään osoitteeseen
78 56 34 12
34 12
12
0100h 0101h 0102h 0103hAddress
Long word
Word
Byte
Big endian
12 34 56 78
12 34
12
0100h 0101h 0102h 0103hAddress
Long word
Word
Byte
Little endian
Keskeytykset• interrupt, trap, exception• sulautettujen ohjelma
suoritaa päättymätöntä silmukkaa• ohjattavassa prosesissa tulee
usein eteen tilanne, johon pitää reagoida
mahdollisimman nopeasti (näppäimen painallus, sarjaporttiin
tulee merkki, ajastimen tai laskurin ylivuoto jne.)
– ei ole mielekästä laittaa prosessoria pollaamaan tapahtumia;
käytetään keskeytyksiä
– kun tapahtuu keskeytys (ja keskeytykset ovat sallittuja) niin
prosessori suorittaa ensin meneillään olevan käskyn loppuun,
tallentaa nykyisen tilansa (rekisterit, ohjelmalaskuri) pinoon
(PUSH) ja lataa keskeytysvektorin alkuosoitteen
ohjelmalaskuriin
– kun keskeytysohjelma päättyy niin prosessorin talletettu tila
palautetaan ja ohjelma jatkuu normaalisti
-
12
Keskeytykset…
• laitteistokeskeytykset– prosessorilla voi olla yksi tai
useampi ulkoinen
keskeytyslinja• jos yksi linja ja useita laitteita niin
keskeytysrutiinissa
pollattava mikä laite aiheutti keskeytyksen• jos linjoja
useampia niin ohjelma voi suoraan hypätä oikeaan
keskeytysrutiiniin (ISR)• nopea laitteistokeskeytys (fast
hardware interrupt)
– keskeytyksen sattuessa vain ohjelmalaskurin arvo talletetaan,
ISR tallettaa muut tarvittaessa
Keskeytykset…
• ohjelmistokeskeytys– ulkoisten keskeytyslinjojen lisäksi
keskeytys voi tulla esim
ajastimesta
-
13
Vahtikoira-ajastin
• on ajastin, joka asettaa signaalin, jos laskuri saavuttaa
jonkin tietyn raja-arvon (tai nollan) ellei laskuria käynnistetä
uudelleen. Jos kaikki toimii niin laskuri ei saavuta raja-arvoa
koskaan vaan ohjelma ehtii alustamaan ajastimen ennen raja-arvon
saavuttamista. Jos raja-arvo saavutetaan niin ohjelmassa on jotain
vialla (kaatunut) ja ajastimen asettama signaali resetoi
järjestelmän.
CISC ja RISC
• kaksi prosessorien perusarkkitehtuuria– CISC (Complex
Instruction Set Computer)
• Intel x86, Motorola 68xxx• vähän rekistereitä ja paljon
käskyjä (käskyjen dekooderi
monimutkainen ja hidas), iso pinta-ala ja kuuma– RISC (Reduced
Instruction Set Computer)
• PowerPC, ARM, Atmel AVR, Microchip PIC• paljon rekistereitä
(jopa 1000), vähän käskyjä
– esim. kertolasku kokonaisluvuilla voi viedä 80486 CISC
prosessorilta 42 kellojaksoa ja RISC prosessorilta vain yhden
kellojakson
-
14
CISC ja RISC…
clear 0x1000 ; clear memory location 0x1000
load r1, #5 ; load register 1 with the value 5
xor r1, r1 ; clear register 1
store r1, 0x1000 ; clear memory location 0x1000
add r1, #5 ; load register 1 with the value 5
DSP
• erikoisprosessoreita tarkoitettu reaaliaikaisen signaalin
muokkaamiseen– GSM, modeemit, äänikortit, mittalaitteet– yleensä
Harvard-arkkitehtuuri, lisäksi data-alue
voitu jakaa vielä kahteen tai useampaan osaan• mahdollistaa
yhtäaikaisen datan haun nopeuttaa
-
15
Muistit
• ohjelmamuistia (yleensä lukumuistia, ROM)
• käyttömuistia (luku/kirjoitusmuistia, RAM)
• nimityksiä– RAM, ROM, EPROM,
EEROM, Flash
0 1 0 1 0 1 0 1
1 0 0 0 1 1 1 0
0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 1 0
0 1 1 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 1 0 0
1 1 0 1 0 1 0 0
0000h
0001h
0002h
0003h
FFFFh
FFFEh
MSB LSB
Osoite Tieto
65536 rivä
Bitti
Tavu
Muistit…• luku- ja kirjoitusmuistin
yksinkertaistettu symboli– 8-bittinen datalinja– 15-bittinen
osoitelinja
kapasiteetti 32 KB– piirinvalintasignaali (CS,
Chip Select) (aktiivinen alatilassa)
– kirjoituksen sallinta (WE, Write Enable)
– lähdön sallinta (OE, Output Enable)
-
16
Muistit…
• Aikakaaviot1. osoite muistipiirille2. piiri valitaan3. piirin
lähtö sallitaan4. muistipaikan tieto asettuu
lähtöihin5. lähdön sallinta ylätilaan6. lähdöt
suurimpedanssiseen
tilaan7. piirinvalinta ylätilaan8. seuraava jakso alkaa
1 2 876543
Tieto
OE
CS
Osoite
Muistipiirin lukujakso
Tieto
WE
CS
Osoite
Muistipiirin kirjoitusjakso
I/O• Liitäntäpiirien avulla
mikrotietokone yhteydessä ympäröivään elektroniikkaan
(näppäimet, näytöt, releet, muuntimet,…)
• näkyvät prosessorille yhtenä tai muutamana muistiosoitteena
(rekisterinä)
– tiedonsuuntarekisteri, jonka biteillä valitaan onko liitäntä
tulo (0) tai lähtö (1)
– liitäntöjen tilat voidaan lukea tietorekisteristä samoin kun
lähtöjen tieto kirjoitetaan tietorekisteriin
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
IO7
IO6
IO5
IO4
IO3
IO2
IO1
IO0
Tiedonsuunta-rekisteri
Tieto-rekisteri
-
17
I/O…
• Liitäntäpiirissä voi olla useita I/O –portteja (A, B, ..)
• kuvan piirissä kaksi porttia, jolloin tarvitaan 4
rekisteriä
• rekisterit voidaan osoittaa kahdella
rekisterinvalintalinjalla
Sulautettujen arkkitehtuuri
• Pöytäkoneessa tehokas CPU, paljon keskusmuistia,
käyttöjärjestelmä, sovelluksia, paljon massamuisteja, erilaisia I/O
–laitteita ja verkko- ym. liitynnät
• suuret sulautetut järjestelmät vastaavanlaisia– reitittimet,
puhelinkeskukset,
automaatiojärjestelmät, lentokoneet, laivat,…
-
18
• pienemmät sulautetut järjestelmät käyttävät
mikrokontrollereita, jotka sisältävät yhdellä piirillä samoja
toimintoja mitä koko tietokonejärjestelmätkin
• mikrokontrollerissa on minimissään CPU, pieni määrä muistia
(RAM ja/tai ROM)
Sulautettujen arkkitehtuuri…
-
19
Digitaalinen signaali
• bitit esitetään jännitetasoina– loogista nollaa vastaa
maapotentiaali eli 0V– loogista ykköstä vastaa yleensä
käyttöjännite,
joka voi olla esim. 1.8V, 2.7V, 3.3V, 5V, 12V– loogiset tasot
ovat jotain maapotentiaalin ja
käyttöjännitteen välillä
-
20
Kynnysjännittet
• esim AtMega128
-
21
Skeman lukeminen• esimerkkinä IR-valolla toimiva kauko-ohjain•
järjestelmän yleiskuvaus
– Laitteistolla voidaan vastaanottaa IR-signaaleja toisesta
kauko-ohjaimesta, dekoodata ne binäärisiksi ohjauskoodeiksi,
tallettaaniitä laitteiston EEPROM muistiin ja lähettää
vastaanotettu koodi PC:lle sarjayhteyttä pitkin. Laite voi toimia
myös ns. välittävänä laitteena, jolloin se PC:ltä saamansa
ohjauskoodin ensin koodaa IR-signaaliksi ja sitten lähettää
vastaanotinlaitteelle. Laite voi toimia myös itsenäisenä
kauko-ohjaimena, jolloin sillä voidaan valita jokin EEPROM-muistiin
tallennettu koodi ja lähettää se vastaanottimelle.
Skeman lukeminen…• laitteistoarkkitehtuuri
– mikrokontrollerina käytetään Atmelin ATMega32, joka käyttää
7.2837 MHz:n ulkoista kidettä
– ohjelmointiin ja debuggaukseen laitteistosta löytyy JTAG- ja
ISP-liittimet
– näyttönä käytetään 4x16 merkin LCD-näyttöä– yhteys PC:hen on
toteutettu standardin RS-232 –
liitynnän kautta– laitetta voidaan ohjata kolmella
näppäimellä.
Näppäimet toimivat keskeytysperiaatteella. – IR-led ja
IR-vastaanotin on kytketty kuvan osoittamiin
I/O-liityntöihin
-
22
ATMega 32
RS-232
(RX) PD0(TX) PD1
Näppäin-ohjaus,
suodatus
PD3PD4
PD5
(ICP1) PD6
K3
K2
K1
RESET(SCK) PB7(MISO) PB6(MOSI) PB5(SS) PB4)
7.2837 MHz kide
XTAL2
XTAL1
(TCK) PC2(TMS) PC3(TDO) PC4(TDI) PC5
PA7PA6PA5PA4
PA2PA1PA0
RESET
IR-RX
(INT0) PD2
PD7
ISPohjelmointiliitin
LCD-näyttö
JTAG-liitin
IR-TX
Skeman lukeminen…
• mikrokontrolleri
PB01
PB12
PB23
PB34
PB45
PB56
PB67
PB78
/RESET9
VCC10
GND11
XTAL212
XTAL113
PD014
PD115
PD216
PD317
PD418
PD519
PD620 PD7 21PC0
22PC123PC224PC325PC426PC527PC628PC729AVCC30AGND31AREF32PA733PA634PA535PA436PA337PA238PA139PA040
ATmega32
U1
PC[2:5]
PC3PC4PC5
PB[5:8]
PB5PB6PB7PB8
Y17.3728MHz
VCCVCC
PD[0:1]
PD0
PD7
PD1
PD[2:5]
C2 22p
C3 22pPD2PD3PD4PD5PD6
PD6
PA[0:2]
SW1
RESET
PA[4:7]
LCD control
LCD data
JTAG
Keyboard
Serial
ISP
IR-rx
IR-tx
R1100k
VCC
PA0
PB8
PA1PA2
PA4PA5PA6PA7
PC2
-
23
Skeman lukeminen…
• sarjaliityntä
C1+1
V+2
C1-3
C2+4
C2-5
V-6
T2OUT7
R2IN8
VCC 16
GND 15
T1OUT 14
R1IN 13
R1OUT 12
T1IN 11
T2IN 10
R2OUT9
U3
MAX232CPE
+C61u
+C71u
+C8
1u
+
C9
1u
VCC
PD[0:1]
PD0PD1
DCD1
Rx2
Tx3
DTR4
GND5DSR 6RTS 7CTS 8
RI 9U7
D9_FEMAL
RS-232 liitin
ISP ohjelmointi-liitin
JTAG -liitin
UP-, DOWN- jaSELECT-painikkeet
Mikrokontrolleri
Reset-painike
IR-led
IR-vastaanotin
LCD-näyttö
Kontrastin säätö
-
24
Tietokonelogiikka
Lukujärjestelmistä
• tietokonepuolella yleisimpiä binääri- ja heksajärjestelmät–
bittejä (bits, b), tavuja (bytes, B), sanoja (words)– binääriluvun
desimaaliarvo voidaan laskea
– vaadittavien bittien määrä saadaanbitteinä pituusluvun n
1)tai(0arvoibitinb2 i1
0
=
==∑−
=
n
ii
i b
lukuestelmän kymmenjärjn)2ln()ln()(log2 ===
nnbits
-
25
Lukujärjestelmistä…
• muunnokset lukujärjestelmien välillä– esim. IPv4-osoite on
32-bittinen, jolloin oktetteina
esitetty osoite 192.168.137.77 on binäärisenä 11000000 10101000
10001001 01001101
– heksalukuna se olisi C0 A8 89 4D– ja desimaalisena 3 232 270
669
• kannattaa muistaa: 10 bitillä voi esittää 1024 vaihtoehtoa 11
bitillä kaksinkertaisen määrän, 12 bitillä taas kaksinkertaisen
määrän eli 4096 ….
Porttipiirit
• aiemmin oli hyvin yleistä, että ohjauslogiikka tehtiin
erillislogiikalla piirilevylle – nykyään logiikan tehtäviä hoitaa
useimmiten
yksi tai useampi mikrokontrolleri
-
26
Porttipiirit
