Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №9

Быстрое погружение c “черными плавниками”. Технология Blackfin. Часть 4. Первая законченная система. Разрабатываем часы для Blackfin. Энергопотребление. Внутренний таймер ядра

Савичев Андрей  
Романов Олег  

В предыдущей статье цикла (см. «КиТ» № 6 '2007) мы подробно рассматривали работу с часами реального времени в процессорах Blackfin, и теперь готовы приступить к написанию программы. Напомним, что инициализировать RTC в ADSP-BF533 EZ-KIT Lite мы предполагаем через написанный ранее драйвер (см. «КиТ» № 3 '2007) по последовательному каналу с хост-компьютера. Часы и календарь на хост-компьютере работают корректно, но при передаче данных по последовательному каналу и обработке могут произойти сбои.

Все статьи цикла:

Для выявления ошибочных значений проинициализируем входными данными вспомогательную структуру-буфер. Если ошибки во входных данных отсутствуют, выведем значения для инициализации в регистры RTC:

Мы уже обсуждали различия в структуре регистров RTC для разных типов процессоров Blackfin.

Для ADSP-BF535:

Для всех остальных процессоров семейства (за исключением ADSP-BF561):

Для удобства вводится следующее макроопределение:

и далее в def_LPBlackfin.h можно найти определение bfin_write32(addr,val).

Функция wait_for_complete()

необходима для ожидания завершения записи в регистры RTC. Можно воспользоваться другим методом и записывать значения в эти регистры в течение 990 мс сразу после события Seconds Event.

Чтение любого регистра RTC (в отличие от записи) может осуществляться в произвольный момент времени, но полученные значения не всегда соответствуют реальным. Это связано с буферизацией этих регистров с помощью «теневых регистров». Вы получаете либо текущее значение, либо предшествующее, в зависимости от момента обращения к регистру. Можно также сказать, что установленный старший бит регистра RTC_ISTAT гарантирует вам чтение актуальных значений из регистров RTC.

Для облегчения работы воспользуемся готовой процедурой get_rtc_time, а также макро-определением bfin_read_RTC_ISTAT():

В def_LPBlackfin.h можно найти определение bfin_read16(addr):

Проверить эти процедуры проще всего с помощью «будильника». Для этого введем в наш проект еще пару готовых процедур:

Их исходные тексты здесь не приводим, но, разумеется, вы их найдете в проекте. Поскольку по структуре регистры часов RTC_STAT и будильника RTC_ALARM идентичны, то и реализация этих процедур мало чем отличается от set_rtc_time и get_rtc_time соответственно.

Теперь мы можем инициализировать часы и будильник таким образом, чтобы разница между их показаниями составляла всего несколько секунд при работе в реальном времени. Через назначенный временной интервал сформируется событие Alarm Event, которое мы можем отметить, например, включением светодиода. Определимся с форматом инициализируемых данных:

Это представление времени для часов в rtc_data[] «29-мая-2007 13:25:30» и для будильника в rtc_alarm_data[] «29-мая-2007 13:25:35». В дальнейшем именно эти массивы предполагается инициализировать с хост-компьютера. Поскольку на отладочной плате батарея отсутствует, нам придется реинициализировать RTC при включении питания. А как хост-компьютер узнает, что отладочная плата была выключена? Подумайте над этим вопросом самостоятельно. А мы в следующей части статьи предложим свое решение.

Если вы захотите поэкспериментировать с данной программой при более существенной разнице во времени между будильником и часами, рекомендуем сбросить флаг Prescaler Enable:

В этом случае и часы, и будильник пойдут в 32 768 раз быстрее, и вам не придется слишком долго ждать результата. Все исходные тексты проекта будут доступны по адресу http://avisv.narod.ru/BlackFin/project2.htm.

Давайте уделим немного внимания другим подсистемам службы времени Blackfin — таким как таймеры общего назначения generalpurpose timers и «внутренний таймер ядра» core timer («системный таймер»). Мы не будем рассматривать все возможные режимы работы этих устройств, а просто приведем примеры из работающих программ. Например, в демонстрационной программе от Analog Devices, рассмотренной нами в первой части статьи нашего цикла, есть такой фрагмент:

Для каждого таймера, независимо от типа процессора ADSP Blackfin, существует регистр конфигурации TIMERx_CONFIG (рис. 1), в котором определены режимы его работы, параметры цифрового сигнала на выходе (если он формируется), источник тактирования, разрешение прерывания. Запись в регистр конфигурации возможна только тогда, когда таймер остановлен. Проверить это можно, анализируя соответствующий бит TRUNx в регистре TIMER_STATUS (рис. 2). Вы можете дать команду на остановку таймера, установив соответствующий бит TIMDISx в регистре TIMER_DISABLE (рис. 3). При этом таймер остановится не сразу, а по завершении формирования импульса, как если бы вы работали в режиме PWM_OUT c PERIOD_CNT=0. Чтобы добиться мгновенной остановки таймера, запишите дополнительно «1» в соответствующий бит TRUNx.

Формат регистра конфигурации таймеров общего назначения TIMERx_CONFIG
Рис. 1. Формат регистра конфигурации таймеров общего назначения TIMERx_CONFIG
Формат регистра состояний таймера общего назначения TIMER_STATUS
Рис. 2. Формат регистра состояний таймера общего назначения TIMER_STATUS
Формат регистра запрещения таймеров общего назначения TIMER_DISABLE
Рис. 3. Формат регистра запрещения таймеров общего назначения TIMER_DISABLE
Формат регистра разрешения таймеров общего назначения TIMER_ENABLE
Рис. 4. Формат регистра разрешения таймеров общего назначения TIMER_ENABLE

В нашем примере в качестве режима работы выбран широтно-импульсный модулятор с первоначально нулевым уровнем сигнала (PULSE_HI=0) и режимом счета до конца периода.

В этом режиме сигнал на выводах таймеров формируется в соответствии со значениями в регистрах Timerx_WIDTH и Timerx_PERIOD, битовых полей Pulse_HIGH, Period_CNT, TOGGLE_HI и в зависимости от выбранного источника тактовых сигналов CLK_SEL регистра TIMERx_CONFIG. Но если, как в нашем случае, состояние выхода несущественно, то ситуация с инициализацией регистров general-purpose timers несколько упрощается. Сейчас нас интересует только прерывание, которое возникает через строго определенные интервалы времени, поэтому и другие режимы работы таймеров общего назначения, системного таймера или рассмотренных выше часов реального времени вполне решали бы задачу. Подробнее о работе таймера общего назначения в режиме PWM_OUT можно посмотреть в справочнике [1] или в его русском переводе на сайте представительства Analog Devices в СНГ и Балтии http://www.analog.spb.ru/pub_dsp.htm в файле chapter15.pdf.

Блок-схема таймера общего назначения представлена на рис. 5

Блок-схема таймера общего назначения процессора Blackfin
Рис. 5. Блок-схема таймера общего назначения процессора Blackfin

Как программировать системные тики (system tick — прерывания от таймера) — основу нашей системы реального времени? Прежде всего, нужно выбрать их периодичность в зависимости от производительности системы (процессора) и желаемого времени отклика на события. Если снизить эту величину до минимально возможной, то процессор вместо полезной загрузки приложениями будет слишком часто «отвлекаться» на обслуживание системных тиков и связанные с их обслуживанием процедуры. С другой стороны, если сделать их чрезмерно редкими, система окажется слишком медлительной, и события будут отслеживаться с большим запаздыванием. В таких системах иногда для получения быстрого отклика на определенные события прибегают к грубым «внесистемным» решениям, обходя «системный диспетчер» (как раз те самые процедуры, которые обслуживаются при возникновении очередного системного тика), а то и просто глобально блокируя все остальные события до завершения обработки. Именно в этом случае эффективны «часы реального времени», так как с их помощью можно оценить временной интервал, в течение которого система находилась в режиме монопольного обслуживания определенного события. Для двухъядерного ADSP-BF561 в этих целях можно использовать более тонкий механизм, но это тема для отдельной статьи. Итак, крайне желательно ввести именованную константу, чтобы затем можно было подобрать ее величину в процессе «тонкой настройки» системы.

Производительность процессора и потребление энергии в процессорах ADSP-Blackfin может регулироваться программно. Важно знать, какая частота присутствует на входе CLKIN. На плате ADSP-BF533 EZ-KIT Lite на этот вход заведена частота 27 MГц. Это кроме всего прочего объясняется еще и тем, что ФАПЧ лучше всего работает при не слишком больших коэффициентах DIVIDER, и минимально допустимая частота на входе CLOCK DIVIDE AND MUX— 50 МГц (рис. 6).

Блок-схема фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ процессора Blackfin с умножителем частоты
Рис. 6. Блок-схема фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ процессора Blackfin с умножителем частоты

Комбинации значений в MSEL и SSEL для SCLK, и MSEL и CSEL для CCLK определяют тактовые частоты для периферии и ядра соответственно. При этом если бит Divide Frequency (DF) установлен, частота CLKIN умножается на 2. Например, если в MSEL[5:0] записан код 111111 — 63, то при DF=1 частота на входе CLOCK DIVIDE AND MUX будет 850 МГц, а при DF=0 — 1700 МГц. Обратите особое внимание на то, что при нулевом значении поля MSEL[5:0] входная частота возрастает соответственно в 32 или 64 раза! Делители частоты различаются по разрядности. Если тактовый сигнал для CCLK можно разделить максимум на 8 (2-битное поле CSEL[1:0]), то сигнал для SCLK — на 15 (4-битное поле SSEL[3:0]).

Это вполне логично, ведь входная тактовая частота у них одинаковая, а периферия, как правило, должна работать медленнее, чем процессорное ядро. На более низких рабочих частотах ядра можно снижать тактовую частоту работы с периферией (с внешней памятью в том числе) в значительно меньшей степени. Если внешняя шина в вашей системе стандартна, то перед вами стоит задача более точного подбора коэффициентов: DIVIDER, VCO, DF. Есть ограничение и на тактирование ядра процессора в зависимости от исполнения и типа корпуса, а периферии — в зависимости от числа используемых выводов GPIO и электрических параметров подключаемых устройств.

Каждый тип корпуса при определенном количестве выводов характеризуется вполне определенным коэффициентом теплоотдачи, который, в свою очередь, определяет полное тепловое сопротивление. Для корпуса LQFP со 176 выводами, в котором выпускаются некоторые процессоры ADSP-BF531/2/3, оно составляет приблизительно 21 °С/Вт при естественном воздушном охлаждении. Ядро процессоров Blackfin обладает малым энергопотреблением. Так, на рабочей частоте 600MГц при питающем напряжении ядра 1,2 В это составляет порядка 330 мВт. При этом вклад ядра в повышение температуры корпуса составляет не более 9 °С. При выполнении различных последовательностей инструкций потребляемый ток (и выделяемая мощность) могут отличаться от базовых параметров, приведенных на рис. 7, на 27% как в большую, так и в меньшую сторону. Более сложной является оценка вклада в выделяемую кристаллом тепловую мощность периферии. На сайте Analog Devices в разделе Blackfin Technical Library http://www.analog.com/processors/blackfin/technicalLibrary/index.html выложены специальные XLS-файлы. С их помощью вы можете произвести оценочный расчет выделяемой при работе на заданной частоте определенного периферийного устройства тепловой мощности. Заметим, что это будет весьма грубая оценка, так как при этих расчетах не учитывается ни топология печатной платы, ни электрические параметры подсоединяемых к процессору устройств. Поэтому необходим запас по суммарной выделяемой тепловой мощности и току источника питания. На рис. 7 изображены динамические характеристики для процессоров ADSP-BF531/2/3, из которых видно, что при низких напряжениях питания ядра предельная рабочая частота существенно снижается. Так, при 0,8 В рабочая частота процессорного ядра не превышает 250 МГц.

Допустимые рабочие частоты ядра процессора и потребляемый ток в зависимости от питающего напряжения
Рис. 7. Допустимые рабочие частоты ядра процессора и потребляемый ток в зависимости от питающего напряжения

У процессоров ADSP Blackfin питающее напряжение ядра изменяется программированием значения поля VLEV[3:0] в регистре VR_CTL (рис. 8).

Формат регистра управления регулятором напряжения VR_CTL
Рис. 8. Формат регистра управления регулятором напряжения VR_CTL

В таблице приведены значения этого 4-битового поля.

Таблица. Величина напряжения питания процессорного ядра в зависимости от значения поля Voltage Level (VLEV), VR_CTL[7:4] регистра управления регулятором напряжения VR_CTL
Величина напряжения питания процессорного ядра

В реальной системе (особенно в опытных образцах) можно установить на корпусе процессора LQFP-176 (26×24 мм) температурный датчик, например ADI TMP05 в корпусе SOT23(2,9×1,6 мм) c ШИМ-выходом, и написать процедуру, управляющую выбором рабочей частоты и питающего напряжения ядра. Подобранные таким методом оптимальные значения коэффициентов можно включить в процедуру инициализации.

Различные режимы энергосбережения процессоров Blackfin рассмотрим чуть позже, а теперь вернемся к службе времени. Рассмотрим работу с внутренним таймером ядра. Его можно использовать для различных сервисных процедур в основном при отладке и «тонкой настройке» системы, либо когда вам катастрофически не хватает таймеров общего назначения (хотя в этом случае можно выбрать кристалл семейства, где их не 3, а 4, 8 или даже 12). Но все же основная функция таймера ядра — генерировать прерывания через определенные пользователем промежутки времени. Поэтому, если вас не интересует наличие в готовой системе сервиса, связанного с измерением интервалов между различными событиями и времени выполнения определенных последовательностей кода, то логично использовать для формирования системных тиков именно этот таймер.

Как видим на рис. 9, этот таймер декрементный. Значение, которое вы записываете в регистр TCOUNT счетчика таймера ядра, через интервал TSCALE+1 тактов CCLK декрементируется. При достижении нулевого значения в регистре TCOUNT устанавливается TINT в регистре TCNTL (рис. 10). Если прерывания от таймера ядра не были разрешены, то этот бит не устанавливается. Дальнейшие действия зависят от того, была ли предварительно записана в бит TAUTORLD «1». Если да, значение регистра счетчика TCOUNT (рис. 11) инициализируется содержимым регистра TPERIOD (рис. 12) и декрементный счет автоматически продолжается.

Блок-схема таймера ядра core timer
Рис. 9. Блок-схема таймера ядра core timer
Формат регистра управления таймера ядра TCNTL
Рис. 10. Формат регистра управления таймера ядра TCNTL
Биты регистра счетчика таймера ядра TCOUNT
Рис. 11. Биты регистра счетчика таймера ядра TCOUNT
Биты регистра периода таймера ядра TPERIOD
Рис. 12. Биты регистра периода таймера ядра TPERIOD

Он может быть прерван записью «0» и вновь запущен записью «1». Вы можете использовать 8-битное значение TSCALE (рис. 13) для изменения периодичности возникновения прерываний в 256 раз при отладке программы. Это актуально, например, для систем на основе ADSP-BF561, в котором отсутствуют RTC.

Биты регистра масштабирования таймера ядра TSCALE
Рис. 13. Биты регистра масштабирования таймера ядра TSCALE

Готовый проект для процессора ADSP-BF561, использующий прерывания от таймера ядра, можно посмотреть на сайте http://www.eltech.spb.ru/techinfo.html.

На этом мы заканчиваем наш краткий обзор службы времени процессоров семейства Blackfin и в следующей части статьи обсудим в деталях нашу законченную систему реального времени.

Литература

  1. ADSP-BF533 Blackfin Processor Hardware Reference.
  2. Engineer-to-Engineer Note. Estimating Power for ADSP-BF531/BF532/BF533 Blackfin Processors
  3. Руководство пользователя по цифровым сигнальным процессорам семейства Blackfin.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке