Обзор микроконтроллеров и микропроцессоров семейства SuperH компании Renesas Technology

Созданная в апреле 2003 года в результате слияния подразделений Hitachi Ltd. и Mitsubishi Electric Corporation компания Renesas так сформулировала свое отношение к бизнесу: «Renesas Technology обеспечивает постоянную уверенность, комфорт и помогает людям исполнять свои мечты, предоставляя им выгоды высоких технологий во всех сферах их деятельности».

Введение

Полупроводниковое производство компании претерпевало следующие изменения:

• были расширены линейки продукции, в том числе развитие получили младшие бюджетные микроконтроллеры;
• сократилось время выхода новых изделий на рынок;
• увеличились производственные мощности, включая наиболее высокотехнологичное производство пластин;
• улучшилось качество технической поддержки потребителей.

Правильный выбор микроконтроллера для конкретного приложения во многом определяет успех и быстроту выполнения проекта, поэтому компания Renesas Technology предлагает широкий выбор микросхем с различными техническими характеристиками, что позволяет использовать их в электронной аппаратуре практически в любой сфере деятельности человека. Необходимо отметить высокое качество микроконтроллеров Renesas, большой срок их службы, а также высокую надежность, что позволяет использовать эти приборы не только в бытовой и офисной аппаратуре, но и в промышленной электронике. Высокое качество продукции обеспечивается за счет контроля на каждом технологическом этапе.

Главная задача статьи — это ознакомление российских разработчиков с основными особенностями, структурой, составом семейства SuperH, а также инструментарием для разработки и отладки устройств, и, наконец, — с тенденциями развития семейства микросхем с архитектурой SuperH.

Одними из самых популярных микросхем Renesas Technology являются микроконтроллеры с динамично развивающейся и хорошо себя зарекомендовавшей архитектурой SuperH (рис. 1). Устройства, построенные на базе архитектуры SuperH, представляют собой 32-битные высокопроизводительные RISC-микроконтроллеры.

Тщательно продуманная архитектура SuperH отвечает основным современным концепциям развития микроконтроллеров. Она характеризуется:

• высокой производительностью;
• совместимостью программ «снизу вверх»;
• высокой эффективностью (плотностью) кода;
• сниженным энергопотреблением и наличием режимов энергосбережения;
• производством при помощи передовых полупроводниковых технологий.

Семейство микроконтроллеров, выполненных на основе архитектуры SuperH, состоит из множества линеек микросхем с различными конфигурациями ЦПУ и сочетанием периферийных модулей. Это позволяет упростить конструкцию разрабатываемого устройства за счет уменьшения числа компонентов обвязки микроконтроллера. Результатом является снижение себестоимости изделия, а также снижение затрат на его разработку и производство. Следует также отметить, что микросхемы семейства SuperH обладают хорошим соотношением цена/производительность/периферия, что упрощает их использование в новых проектах.

Обзор микросхем с архитектурой SuperH

Первоочередной задачей при проектировании любого электронного устройства является как можно более близкий к оптимальному выбор конфигурации ядра микроконтроллера (или микропроцессора).

На рис. 2 представлены основные линейки микросхем архитектуры SuperH и указано направление их развития. Основой для них стали чипы серии SH-1. Сегодня сформировались два направления развития ядра, связанные с оптимизацией использования вычислительных устройств в разных областях применения. Одним из направлений развития являются линейки с ядром SH-2 и более мощным SH-2A. Микроконтроллеры этого направления оптимизированы для применения в приложениях, где требуется обработка больших массивов данных, а также реакция на внешние события в реальном времени. (Основное внимание в статье будет уделено именно этим двум вариантам ядра, остальным же будет дана лишь краткая характеристика.)

Представителями другого направления являются серии SH-3, SH-4 и их варианты с более мощным процессорным ядром SH-4A. Микропроцессоры, входящие в эти серии, в первую очередь предназначены для применения в мобильных устройствах, сетевых системах и других приложениях, требующих высокоскоростной обработки данных.

Для упрощения рисунка на нем не показаны существующие серии SH2-DSP и SH3-DSP. Эти реализации ядра специально предназначены для использования в мультимедийных устройствах и коммуникационных приложениях, требующих цифровой обработки сигналов. Вспомним и микроконтроллеры серии SH7710/2 (ядро SH3-DSP) с двумя Ethernet каналами, так как они прекрасно подходят для устройств, использующих сети Ethernet в качестве среды передачи.

Одной из основных характеристик того или иного микропроцессора или микроконтроллера является его производительность. В таблице 1 показана максимальная производительность устройств в каждой линейке.

Совместимость и плотность кода программ

Основными достоинствами ядер SH являются совместимость «снизу вверх» программного кода и его высокая плотность при заданной производительности.

Как показано на рис. 3, различные реализации архитектуры SH полностью совместимы «снизу вверх», то есть микросхемы со старшим ядром включают все команды ядра младшего. Данное свойство архитектуры SuperH можно назвать принципом «матрешки». В этой «матрешке» микросхемы со старшим ядром отличаются большим уровнем производительности и набором периферии, предназначенным для применения в различных устройствах, и поэтому у них более широкий набор инструкций. Это неоспоримое преимущество позволяет экономить силы и финансовые средства, а также ускорить время разработки новых устройств и систем или редизайн существующих.

Использование 16-битных инструкций увеличивает пропускную способность шины в два раза, а также повышает эффективность кэш-памяти почти на 40%, что в свою очередь положительным образом сказывается на быстродействии.

Низкое энергопотребление и современные технологии

Другие ключевые концепции архитектуры — это довольно малое энергопотребление устройств за счет использования современных технологий. Как правило, встраиваемые системы требуют, чтобы процессор функционировал на высокой тактовой частоте для достижения требуемой производительности. Однако в некоторых приложениях, чувствительных к уровню потребляемой от источника питания мощности, не все микросхемы могут использоваться, так как энергопотребление чрезмерно высоко. Чрезмерное рассеивание тепловой энергии требует применения дорогостоящих теплоотводящих систем и, кроме того, серьезно снижает время работы автономных устройств с батарейным питанием и отрицательно сказывается как на надежности электронного устройства, так и на его долговечности.

Инженеры компании Renesas Technology тщательно подошли к разработке конструкции микроконтроллеров и микропроцессоров архитектуры SuperH и сумели достичь хорошего соотношения между производительностью и потребляемой мощностью. Чипы изготавливаются на основе низкопотребляющей субмикронной технологии КМОП, и потому могут работать при низких напряжениях питания.

Для снижения общего энергопотребления микросхемы снабжены программно-управляемыми механизмами подстройки активности системы. Примером могут служить режимы пониженного потребления standby и sleep, возможность управления частотой тактового генератора, селективное отключение не использующихся периферийных модулей.

При разработке устройств на базе микросхем SuperH вы получаете преимущества от использования передовых технологий компании Renesas — это, например, субмикронная технология производства пластин, усовершенствованная технология производства флэш-памяти, объединение на одном чипе комплекса периферийных модулей и устройств, содержащих IP-блоки.

Набор аппаратных и программных инструментов разработки и отладки (рис. 5) позволяет добиться высокой эффективности проектирования и снизить время вывода вашего изделия на рынок. В число этих инструментов входят оценочные наборы, интегрированная среда разработки и отладки ПО, комплекс программных инструментов (компилятор, линкер, оптимизатор, ассемблер, преобразователь форматов, набор стандартных библиотек и др.), программаторы.

High-performance Embedded Workshop (HEW) (рис. 6) — интегрированная среда разработки ПО (IDE) — универсальна для всех микроконтроллеров компании Renesas Technology и содержит менеджер проектов, редактор, генератор начального кода и подключаемый программный модуль, включающий компилятор, линкер и др. (модуль для микросхем различной архитектуры свой).

Состав семейств SH

Как видно на карте семейств микроконтроллеров SuperH (рис. 7), развитие линеек происходит по трем основным направлениям. Первое — это различные варианты кристаллов с ядром SH-2, отличающиеся производительностью, объемом памяти, набором периферии.

Особый интерес представляет линейка микроконтроллеров SH708x с самой быстрой флэш-памятью. Микроконтроллеры могут работать на частоте 80 МГц, то есть минимальное время доступа к памяти составляет всего 12,5 нс. Еще одна из примечательных линеек — микросхемы серий SH7618/SH7619 с контроллером Ethernet. В этих микросхемах использован оригинальный интерфейс 16-битной шины, обеспечивающий обмен данными между шиной и ОЗУ. Кроме того, готовится к выпуску микроконтроллер SH7147, имеющий встроенный быстродействующий 12-битный АЦП, позволяющий более простыми средствами решать задачи управления различными процессами с обратной связью в реальном времени.

Второе направление — это микросхемы серии SH-Tiny — в меньших корпусах, с сокращенной периферией, памятью и, соответственно, более дешевые. Эти микроконтроллеры удобны для применения в небольших системах, где, например, требуется управление электродвигателями в реальном времени, в частности, для использования в бытовой и офисной технике.

Третье направление — наиболее перспективное и динамично развивающееся. Линейка SH-2A отличается высокой производительностью, богатым набором периферии, в том числе и коммуникационной. Это дает возможность применять эти микросхемы в различных промышленных системах, робототехнике и т. п. В планах развития этой линейки в первую очередь стоит создание чипов с двухъядерной архитектурой, расширение коммуникационных возможностей, а также создание микросхем с большими объемами памяти.

В таблице 2 приведены основные характеристики микроконтроллеров семейств SH-2, SH-2A и SH-2 Tiny.

Особенности ядра SH-2

Ядро SH-2 построено на основе гарвардской архитектуры с непрерывным адресным пространством 4 Гб и явилось логическим продолжением начального ядра SH-1. В своем составе SH-2 имеет 16 регистров длиной 32 бита, а также аппаратный модуль умножения, операндами которого выступают 32-битные данные, результат же имеет длину 64 бит. Процесс вычислений модуля происходит за 2–4 машинных цикла.

На рис. 8 показан обобщенный состав кристалла с ядром SH-2. Разные микросхемы содержат различный состав внутренних устройств. Основными принципами выбора набора внутренних устройств являются максимально возможная разгрузка ЦПУ, уменьшение числа внешних компонентов при сохранении достаточно высокой гибкости микросхемы.

Желтым цветом обозначены таймеры и таймерные модули. Таймерные модули MTU2 иMTU2S специально разработаны для управления различными электродвигателями, но они также могут работать как обычные таймеры. Модуль MTU2 включает 6 таймеров (16-битных), а MTU2S — 3 таймера. Модуль CMT состоит из двух каналов 16-битных таймеров, синхронизируемых от 4 внутренних источников.

Синим цветом обозначены последовательные интерфейсы, такие как I²C, SCI (аналог SPI) и модуль синхронного последовательного интерфейса SSCU.

В состав кристаллов SH-2 для облегчения отладки устройств входят высокопроизводительный интерфейс отладки (H-UDI) и расширенный модуль отладки (AUD), обозначенные фиолетовым цветом.

С целью разгрузки ЦПУ в чип встроены контроллеры различного назначения. В частности, INTC— контроллер прерываний, BSC—контроллер шины, для доступа к внешним микросхемам памяти, контроллер ПДП (DMAC) и контроллер обмена данными (DTC).

Набор команд и режимы адресации были разработаны с учетом максимального облегчения программирования на языке высокого уровня Си. При работе используются 11 режимов адресации. В составе имеются абсолютный, относительный и косвенный режимы. Также для того чтобы обеспечить непрерывность работы конвейера обработки команд, в состав набора инструкций введены команды условного перехода с циклом ожидания. Пятиуровневая конвейеризация обработки команд — довольно сложный процесс, и при работе конвейера возможен его останов по ряду причин. Компилятор для кристаллов с архитектурой SuperH оптимизирует программный код для минимизации остановов конвейера.

SH-2A развитие ядра SH-2

Дальнейшее развитие ядра SH-2 направлено на повышение производительности ЦПУ, увеличение тактовой частоты, оптимизацию программного кода.

ЦП SH-2A (рис. 9), так же как и SH-2, построен на основе гарвардской архитектуры с общим адресным пространством 4 Гб. Так же, как и в SH-2, используется пятиуровневый конвейер обработки команд, однако за один машинный цикл загружается и обрабатывается не одна инструкция, а две. Дополнительно к набору 16-битных инструкций добавлены 32-битные. Помимо обычного умножения, возможно умножение с накоплением результатов. Надо отметить, что хотя ядро SH-2A не имеет полноценных функций цифровой обработки, наличие умножителя с накоплением результатов (MAC) значительно упрощает обработку данных, повышая тем самым производительность. Для увеличения скорости обработки данных во многих микросхемах с ядром SH-2A встроен модуль обработки чисел с плавающей запятой (FPU), что в свою очередь также увеличивает общую производительность.

Улучшение произошло и при обработке прерываний. Время перехода к программе обработки прерывания происходит за 6 циклов ЦПУ против 37 в SH-2. Сокращение времени достигнуто посредством объединения 19 основных регистров в банк и автоматическоя запоминания их в стеке в случае возникновения прерывания.

Наличие в ядре встроенной кэш-памяти увеличивает скорость обработки данных. Встроенный кэш разделен на память данных и команд, и внутри каждая из них ассоциативно разделена на 4 банка. Глубина каждого банка 128 линий, а в каждой линии ввода помещаются 4!32 информационных бита.

Благодаря всем перечисленным достоинствам ядро SH-2A названо супервычислительным. На рис. 10 (диаграммах 1, 2, 3) продемонстрировано улучшение характеристик ЦПУ SH-2A в сравнении с SH-2.

Заключение

Архитектура SuperH не только востребована у мировых производителей электроники, но в некоторых областях является стандартом де-факто. В частности, чипы семейства SH-Mobile использованы более чем в 200 моделях мобильных телефонов, а на базе МП SH-4 и SH-4A построена большая часть автомобильных навигационных систем. Так же как и старшие семейства, SH-2 и SH-2A активно используются в различных устройствах и системах, например в бытовой технике, системах вентиляции и кондиционирования и т. п. А с появлением более дешевых микросхем линейки SH-Tiny интерес к семейству SuperH заметно возрос. Высокая производительность, хороший объем памяти, отличный набор периферии и развитые коммуникационные возможности делают эти микроконтроллеры незаменимыми как в бытовых системах и офисном оснащении, так и в промышленных системах для управления производственными процессами.

Дополнительную информацию по продукции Renesas Technology можно получить на сайте http://eu.renesas.com. У вас есть возможность пройти обучение на интерактивных курсах и оценить возможности микросхем в виртуальной лаборатории, для этого необходимо зарегистрироваться на сайте www.renesasinteractive.com.