Tecnologías y Arquitecturas, Parte 1
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Tecnologías y Arquitecturas Parte I Andrés Djordjalian <[email protected]> Seminario de Sistemas Embebidos 1er cuatrimestre de 2011 FIUBA 03:57 1 de 47 Temas de estas primeras clases Introducción: ¿Qué es y con qué se implementa un sistema embebido? Micros de los 70s y 80s Todavía con cierta vigencia • Ej., Intel 8051 Repaso de digitales Máquinas de estado, secuenciales sincrónicos y separación datapath-FSM Arquitecturas modernas. Parte I RISC y Pipelining Algunos detalles de las ISAs ARM Familias Conjuntos de instrucciones Thumb / Thumb 2 / ARM 03:57 2 de 56 ¿Qué son los sistemas embebidos? Son circuitos que hacen algún procesamiento de datos, destinados a una aplicación particular …a diferencia de las computadoras, que tienen múltiples aplicaciones según el software que se instale. Generalmente forman parte de un sistema mayor …que puede incluir partes analógicas, electromecánicas, etc. Por eso se le dice embebido Ejemplos de aplicaciones: Control industrial • cajas registradoras • calculadoras • periféricos para computadoras • domótica • PDAs • teléfonos • control de electrodomésticos • controles remotos • cámaras digitales • reproductores de DVD y mp3 • equipos para medicina • GPS • telemetría • routers • señalización • avionics • control de automóviles • videojuegos • etcétera • etcétera… 03:57 3 de 56 ¿Cómo se implementan los SE? Son sistemas principalmente digitales Compuestos por circuitos combinacionales y secuenciales • Estos últimos, en la gran mayoría de los casos, son sincrónicos. Pueden incluir un procesador, o incluso varios En la materia, vamos a ocuparnos de los que incluyen uno. Distintas formas de implementarlos: Todos componentes COTS (commercial off-the-shelf) Esos y algún ASIC (application-specific integrated circuit) En lugar de un ASIC, una FPGA (field-programmable gate array) Cada vez hay más aplicaciones, porque pueden hacerse dispositivos que 03:57 Cuestan menos x transistor Consumen menos x transistor Son más rápidos 4 de 56 Sistema en un Chip (SoC) En un chip, se pueden conectar entre sí distintos bloques prediseñados, como si fueran componentes que se interconectan en un circuito impreso A esos bloques se los llama cores (núcleos) o IP (intellectual-property, o propiedad intelectual) Se forma así un SoC (System on Chip) El la manera típica de diseñar un ASIC complejo ASIC = Application-Specific IC Se puede hacer lo mismo con una FPGA …y se le dice PSoC = Programmable System on a Chip Para mejor performance, algunas FPGA traen (fijo) un procesador La integración normalmente se hace mediante: Un lenguaje de descripción de hardware (ej. VHDL, Verilog) O una herramienta gráfica Un core puede ser un procesador 03:57 5 de 56 Procesadores que vamos a usar ARM 7TDMI ( ≥ unos u$s 3 ) Arquitectura RISC 32 bits Lanzado en 1995 Pipeline de 3 etapas ISA ARM (32 bits) y Thumb (16 bits) 0,95 DMIPS/MHz (con el set ARM) 0,28 mW/MHz (con proceso TSMC 0.18G) ARM Cortex M3 ( ≥ unos u$s 2 ) Arquitectura RISC 32 bits Lanzado en 2004 Pipeline de 3 etapas con branch speculation ISA Thumb 2 (16/32 bits) 1,25 DMIPS/MHz 0,19 mW/MHz (con proceso TSMC 0.18G) Un 8051 procesa a unos 0,1 DMIPS/MHz Los precios son por microcontroladores con 8K flash y 2K RAM o más 03:57 6 de 56 Ejemplo de uno de gama más alta TI OMAP 3530 ≅ u$s 45, trae dos cores: ARM Cortex A8 32 bits Arquitectura RISC ISA ARM (32 bits) y Thumb-2 (16/32 bits) desde 600 MHz hasta más de 1 GHz Arquitectura superescalar (2 issue) Lanzado en 2009 Pipelines de 13 etapas Caches L1: split, 16KB o 32 KB c/u Cache L2: 64 KB a 2 MB TMS320C64x+ 2 DMIPS/MHz Procesador digital de señales (DSP) Extensión para multimedia: NEON 32 bits Arquitectura VLIW (8 issue) Aritmética de punto fijo de 40 bits 03:57 7 de 56 Temas de estas primeras clases Introducción: ¿Qué es y con qué se implementa un sistema embebido? Micros de los 70s y 80s Todavía con cierta vigencia • Ej., Intel 8051 Repaso de digitales Máquinas de estado, secuenciales sincrónicos y separación datapath-FSM Arquitecturas modernas. Parte I RISC y Pipelining Algunos detalles de las ISAs ARM Familias Conjuntos de instrucciones Thumb / Thumb 2 / ARM 03:57 8 de 56 MOS Technology 6502 (año 1975) 03:57 9 de 56 Algunos de los primeros micros 1985 1970 32 bits 1975 PMOS 1980 | NMOS | HMOS 68020 | CMOS 80386 Motorola 68000 16 bits Intel 8086 80286 8088 GI PIC1640 MOS T. 6502 Zilog Z80 8 bits 8008 8080 Motorola 6800 4 bits 03:57 Intel 8048 8051 6805 68HC11 tiempo 10 de 56 Intel 4004 Mercado en el 2006: 8 bits 03:57 11 de 56 Arquitectura de Computadoras Paremos un minuto para definir algunas cosas: “Arquitectura” es la descripción de un sistema en un nivel de abstracción alto Ej., mediante un diagrama de bloques Ej., “arquitectura de computadoras” (refiriéndonos al procesador nomás; no al disco, interfaces, etc.), de la cual hay dos tipos: 1) “Arquitectura de Conjunto de Instrucciones” Instruction-Set Architecture, o ISA Es la arquitectura “vista desde afuera” • Registros, conjunto de instrucciones, esquema de interrupciones, etc. A esta, a veces se le dice “arquitectura” a secas 2) “Microarquitectura” Es la arquitectura interna del procesador • 03:57 O sea, cómo está implementada la ISA 12 de 56 Tipos de ISA Acumulador Código para: foo=bar+baz Load bar Add baz Store foo Algunos de los micros con ISA de este tipo Prácticamente todos los de 8 bits 03:57 RegistroMemoria Load-Store Load R1,bar Load R1,bar Add R1,baz Load R2,baz Store foo,R1 Add R3,R1,R2 Store foo,R3 Intel 8086, Motorola 68000 Los de 32 bits modernos 13 de 56 Instrucciones en el 8086 y 68000 Las dos arquitecturas son register-memory de 2 operandos (como máximo) No pueden haber dos accesos a memoria en una instrucción. 8086: ADC AX,baz 68000: ADD.W baz,D0 En el 68000 original, la anterior tardaba 8 ciclos (!) Suponiendo que la memoria respondía sin esperas Un simple MOVE.B D0,D1 tardaba 4 ciclos (!) Tienen muchos modos de direccionamiento 12 en el 8086, 8 en el 68000 Incluyendo cosas como: CMPM.B CMPA.L Multiplicación MULU 03:57 (A1)+,(A2)+ 100H(A2,D0.W),A3 foo,D1 …70 ciclos (!) 14 de 56 Temas de estas primeras clases Introducción: ¿Qué es y con qué se implementa un sistema embebido? Micros de los 70s y 80s Todavía con cierta vigencia • Ej., Intel 8051 Repaso de digitales Máquinas de estado, secuenciales sincrónicos y separación datapath-FSM Arquitecturas modernas. Parte I RISC y Pipelining Algunos detalles de las ISAs ARM Familias Conjuntos de instrucciones Thumb / Thumb 2 / ARM 03:57 15 de 56 Problema a resolver Diseñar un circuito que codifique una cadena de bytes a código RLE Codificar en RLE (run-length encoding) significa convertir las secuencias de un mismo número en la tupla: <código de escape, número, cantidad de repeticiones> • Ej.: abccbaaaaaba Æ abccb/a5ba Es particularmente útil para comprimir gráficos • Se usa en el formato PCX 8 8 Data in Data out Codificador RLE Valid1 Ready1 Valid2 Ready2 CK (La interfaz es como la de una memoria FIFO) 03:57 16 de 56 Problema a resolver 8 8 Data in Codificador RLE Valid1 Ready1 Data out Valid2 Ready2 CK ¿Va a ser un circuito combinacional o secuencial? Que sea un secuencial sincrónico Son más fáciles de diseñar • En particular, de validar que la temporización sea correcta Son escalables Por eso, la electrónica digital está orientada hacia sincrónicos • Los componentes, el software EDA, etc. • Dejemos las técnicas asincrónicas (que son diversas) para casos especiales, más avanzados Recordemos que un secuencial es una máquina de estados finitos (finite-state machine, o FSM) Que, a su vez, puede ser descripta mediante un diagrama de estados 03:57 17 de 56 Diagramas de estado Ejemplo: Detector de secuencia “abac” entradas = {a,b,c} salidas = {sí, no} Moore Produce “sí” sólo cuando las últimas cuatro entradas fueron “abac” Mealy 03:57 18 de 56 Actividad Formen grupos de 2 a 4 personas 1. Dibujen el diagrama de estados de una máquina de Moore que produzca, en la salida, un 1, 2 o 3, cuando sus últimas dos entradas fueron 1, 2 o 3, respectivamente Entrada = {1,2,3} Salida = {-,1,2,3} 2. Lo mismo, pero para una máquina de Mealy 3. ¿Cuándo se producen las transiciones en estas máquinas y las de la diapositiva anterior? ¿En qué momentos puede cambiar de estado un secuencial sincrónico? Entonces, ¿hay que sincronizar? 03:57 19 de 56 Secuenciales sincrónicos Máq. de Moore 03:57 Máq. de Mealy 20 de 56 Secuenciales sincrónicos i1 o1 o1 o1 = señal indefinida 03:57 Diagrama de tiempo 21 de 56 Problema a resolver 8 8 Data out Data in Codificador RLE Valid1 Valid2 Ready2 Ready1 CK ¿Va a ser un circuito combinacional o secuencial? Que sea un secuencial sincrónico Más o menos, ¿qué cantidad de estados necesita tener este secuencial? 03:57 22 de 56 Máquina de estados + Datapath Para encarar estos problemas, se suele separar en dos subsistemas: Una ruta de datos (o datapath), compuesta por los combinacionales y registros que se repiten “n” veces (en este caso, 8) dado que trabajan sobre cada bit. Una máquina de estados (o FSM) que controla el datapath • Frecuentemente se le dice unidad de control. • (FSM = Finite-State Machine) Control Datapath U.C. Status Implementándolo así, la FSM de un codificador RLE necesita no más que un número manejable de estados 03:57 23 de 56 Datapath para un codificador RLE A=Din ¿Qué pasa si entra un ‘\’? Data in Comparador TS1 Registro A Registro B Data out cargar TS2 cargar contar resetar Valid1 Ready1 03:57 Contador TC (terminal count) TS3 ‘\’ (const) Valid2 Ready2 24 de 56 Datapath para un codificador RLE Comparador contra ‘\’ Din=‘\’ A=Din Comparador Data in TS1 Registro A Registro B Data out cargar cargar contar resetar Valid1 Ready1 03:57 TS2 Contador TC TS3 ‘\’ (const) Valid2 Ready2 25 de 56 Unidad de control del codificador No la vamos a hacer toda porque es grande …aunque no tanto (¿unos 12 o 15 estados?) Pero planteemos una de las transiciones a modo de ejemplo: • …haciéndola una máquina de Mealy Un estado va a ser: “El codificador está ‘almacenando’ un solo carácter, distinto de ‘\’.” Otro estado va a ser: “El codificador está ‘almacenando’ dos caracteres iguales, distintos de ‘\’.” 1. ¿Qué condiciones producen la transición del primero al segundo? 2. ¿Qué salidas tiene que presentar la U.C. durante esa transición? 03:57 26 de 56 Una Transición (ej.) Comparador contra ‘\’ El codificador está ‘almacenando’ un solo carácter, distinto de ‘\’ ?/? Din=‘\’ El codificador está ‘almacenando’ dos caracteres iguales, distintos de ‘\’ A=Din Comparador Data in TS1 Registro A Registro B Data out cargar cargar contar resetar Valid1 Ready1 03:57 TS2 Contador TC TS3 ‘\’ (const) Valid2 Ready2 27 de 56 Cómo no implimentaríamos hoy ese codificador Difícilmente nos interese implementarlo con componentes MSI… Componentes MSI son CIs de compuertas, contadores, etc., por ejemplo de series 74LSxx, 74HCxx, 74Fxx, CD4xxx, etc. …porque no sería tan económico como las alternativas Debido, entre otros factores, a los costos de interconexión …y porque no sería tan rápido y/o de bajo consumo como las alternativas Debido, también, a las interconexiones • Porque salir de un integrado y entrar en otro implica que hayan capacitancias parásitas – Estas bajan la velocidad y aumentan el consumo Si no necesitáramos velocidad y/o bajo consumo, seguramente preferiríamos usar un micro 03:57 28 de 56 Cómo sí implimentaríamos hoy ese codificador Usaríamos una FPGA o un CPLD FPGAs = Field-Programmable Gate Array • (o “arreglo de compuertas programable ‘in situ’”) CPLDs = Complex Programmable Logic Device • (o “dispositivo lógico programable complejo”) …o lo implementaríamos en un circuito integrado full custom CMOS Full custom = que se diseña todo “a medida” …o usaríamos un Structured ASIC o un Gate Array Esto es un término medio entre las dos opciones anteriores Significa fabricar un circuito integrado (generalmente CMOS), pero haciendo “a medida” únicamente algunas capas de metal (o sea, interconexión), utilizando el resto prefabricado • Las capas prefabricadas pueden proveer un arreglo de compuertas, o celdas más complejas 03:57 29 de 56 FPGA - ¿Qué es? Definición simplificada: Arreglo de celdas básicas programables cuyas interconexiones también son programables ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Arquitectura genérica de FPGA 03:57 Fuente: UBA - Sistemas Embebidos - FPGA – SoftCores – 2010 – Franco Ferrucci, Sebastián García 30 de 56 FPGA - Flujo de Diseño Flujo de diseño típico: Verificación Entrada de Diseño Síntesis Lógica Place & Route Programación Lenguaje de descripción de Hardware: -VHDL -Verilog 03:57 Fuente: UBA - Sistemas Embebidos - FPGA – SoftCores – 2010 – Franco Ferrucci, Sebastián García 31 de 56 Lenguajes de Descripción de HW Para el diseño de circuitos digitales, los “circuitos de compuertas” fueron reemplazados, en gran medida, por lenguajes de descripción de hardware = hardware-description languages, o HDL Los más populares son VHDL y Verilog O sea que, para diseñar un ASIC o una FPGA, normalmente se escribe un código VHDL o Verilog, que un software EDA puede simular y sintetizar Se puede usar en dos niveles de abstracción: Nivel de comportamiento (behavioral level): • Describe la funcionalidad del circuito, similar a un programa de computación Nivel de transferencia de registros (register-transfer level, o RTL): • Describe cómo se implementa lo de arriba moviendo datos de un circuito a otro • Este código tiene unas 10 veces más líneas que el anterior 03:57 32 de 56 FSM + Datapath en un HDL Para codificarlos, hay dos estilos: 1. Poner la FSM y el datapath en distintas partes del código • Para implementar la FSM se usa algo similar a un switch-case de C 2. … o juntar el FSM y el datapath • Intercalando transferencias de registros en la estructura símil switchcase que se usa para implementar la FSM (Ver ejemplos en archivos separados) La ventaja de la 1 es que se logra mayor conciencia de los recursos que se están “pidiendo” Y eso sirve para optimizar, por ejemplo arreglándoselas con un solo sumador O sea que la desventaja de la 2 es que uno no se da cuenta que hay una FSM por un lado y un datapath por otro • Pero eso puede ser una ventaja, porque lo hace más fácil de programar. 03:57 33 de 56 Temas de estas primeras clases Introducción: ¿Qué es y con qué se implementa un sistema embebido? Micros de los 70s y 80s Todavía con cierta vigencia • Ej., Intel 8051 Repaso de digitales Máquinas de estado, secuenciales sincrónicos y separación datapath-FSM Arquitecturas modernas. Parte I RISC y Pipelining Algunos detalles de las ISAs ARM Familias Conjuntos de instrucciones Thumb / Thumb 2 / ARM 03:57 34 de 56 Procesadores Lo explicado hasta ahora puede usarse para diseñar y fabricar procesadores Un datapath simple de ejemplo: Fuente: S. Furber; ARM System-on-Chip Architecture, 2nd ed; Pearson Education; 2000 03:57 35 de 56 Procesadores En un procesador, la unidad de control puede ser compleja En particular si las instrucciones nativas (o sea en Assembly) realizan operaciones complicadas o requieren varios ciclos de máquina • Esa era la tendencia hasta los ochentas Estas UCs podían demandar bastante tiempo de diseño y ocupar buena parte del silicio de los primeros microprocesadores Frecuentemente, para implementar UCs complejas sin perder flexibilidad, se usaba una técnica llamada microprogramación Consistía en guardar el comportamiento de la UC en una ROM, como si fuera un programa, que era “ejecutado” por un circuito secuencial sencillo y genérico. 03:57 36 de 56 Reduced-Instr.-Set Computer (RISC) En los 70s, en IBM primero, y en las universidades de Stanford y Berkeley después, se empezó a cuestionar esta tendencia de sumarle complejidad a los conjuntos de instrucciones Sus argumentos: Gracias a los compiladores, las instrucciones sofisticadas dejan de ser útiles Eliminándolas, se puede optimizar las que sí lo son …y se ahorra mucho tiempo de diseño …y se libera superficie de silicio ocupada por la unidad de control, la que puede usarse para mejorar el datapath • Por ej, para ponerle un mejor multiplicador Nace el estilo RISC para el diseño de arquitecturas de computadoras …que, desde entonces, tiene enorme influencia en la disciplina 03:57 37 de 56 Características del Estilo RISC (no excluyentes) Arquitectura tipo load-store Las operaciones lógicas y aritméticas operan sólo sobre registros. Las únicas instrucciones que acceden a memoria son para transferir su contenido desde o hacia un registro Conjunto de instrucciones reducido …aunque, hoy en día, hay RISC con montones de instrucciones Las intrucciones tienen largo uniforme (ej. 32 bits) …aunque, hoy en día, hay ISAs RISC con largo variable, como Thumb 2 Todas las instrucciones pueden ser ejecutadas en 1 ciclo …suponiendo que la memoria responde lo suficientemente rápido 03:57 38 de 56 El Estilo RISC Se habla de “arquitecturas RISC” versus “arquitecturas CISC” La mayoría de las arquitecturas planteadas desde entonces son RISC En algunas de las que no son RISC, se traducen internamente las instrucciones CISC a un código RISC que es ejecutado por un núcleo RISC • Eso se hace, por ejemplo, en las microarquitecturas modernas para PC Una de las ventajas de RISC es que es óptimo para pipelining Pipelining es una técnica para aumentar la frecuencia de clock, y como consecuencia, la velocidad de procesamiento Pero primero veamos un típico datapath RISC 03:57 39 de 56 Datapath RISC Patterson, Hennessy; Computer Organization and Design, The Hardware Software Interface Ejemplo de una Instrucción con 3 Operandos: 01001 … 010 Opcode, etc. 03:57 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 Reg. destino Registros fuente 0…1 40 de 56 Datapath RISC + Unidad de Control 03:57 41 de 56 Segmentación (Pipelining) Ejemplos de código Assembly: 03:57 LDR R1,[R0] LDR R3,[R2] ADD R1,R1,#200 CMP R5,R6 BEQ SonIguales ADD R5,R5,R4 ADD R5,R6,R7 SUB R4,R4,R5 42 de 56 Segmentación (Pipelining) 03:57 43 de 56 ARM Acorn era “la Apple británica”. En los 80s creó su propio procesador RISC para sus computadoras Acorn, Apple y VLSI Technology forman ARM en 1990 El modelo de negocios es ofrecer IP, para que licencien: Fabricantes de microcontroladores como NXP, Atmel, ST, TI, etc. O quienes necesitan micros en sus ASICs • Ej., fabricantes de teléfonos celulares 03:57 (Semicast Research) 44 de 56 Mercado Actual de 32 bits 03:57 45 de 56 Periféricos Un microcontrolador es un procesador con memoria y periféricos, todo en un mismo chip Ejemplos de periféricos de uso actual: Interfase serie asincrónicas (UART) • Interfase serie sincrónica • pines de E/S (puerto paralelo) • Modulador de ancho de pulso (PWM) • Conversores A/D y D/A • Comparador de tensión • Temporizador (timer) • Puerto I2C / SPI • Interfase USB • Controlador CAN • Puerto I2S • reloj de tiempo real • Controlador Ethernet (MAC/PHY) • Controlador de LCD • Etc. Otros circuitos que pueden tener: Oscilador para fck • Circuito de reset • Watchdog timer • Brownout reset • Puerto JTAG • Etc. Los periféricos son un factor importante a tener en cuenta para decidir qué microcontrolador usar 03:57 46 de 56 Temas de estas primeras clases Introducción: ¿Qué es y con qué se implementa un sistema embebido? Micros de los 70s y 80s Todavía con cierta vigencia • Ej., Intel 8051 Repaso de digitales Máquinas de estado, secuenciales sincrónicos y separación datapath-FSM Arquitecturas modernas. Parte I RISC y Pipelining Algunos detalles de las ISAs ARM Familias Conjuntos de instrucciones Thumb / Thumb 2 / ARM 03:57 47 de 56
