CC BY
82Компоненты и технологии, № 9'2003
Стековые процессоры,
или Новое - это хорошо забытое новое
Данная статья продолжает цикл статей по описанию структур микропроцессоров для встроенного применения [5-8]. Были приведены описания регистрового процессора, процессора, работающего по схеме «память — аккумулятор». Настала очередь стекового процессора. Цель данной статьи — показать, для чего это надо и «как это сделано внутри». Кроме того, приводится краткое описание языка программирования Форт и Форт-систем.
Иосиф Каршенбойм
Автор заранее просит прощения у читателей за очень сжатый, иногда почти «телеграфный» стиль изложения. Материалов по данной теме очень много, некоторые материалы заслуживают краткого описания, а некоторые хочется хотя бы упомянуть, чтобы читатели смогли все остальное узнать сами. Возможно, что в статье что-то не отражено или у вас есть какие-то материалы по этой тематике, — автор всегда готов обсудить заинтересовавшую вас тему. Возможно, результат обсуждения будет отражен в следующей статье.
Автор выражает свою благодарность всем фирмам и частным лицам, предоставившим свои материалы для написания данной статьи.
Где можно увидеть работающие Форт-системы? Начиная от космических «Шаттлов» на самом верху и до «Спасибо за покупку» на чеке из ближайшего магазина — вот таков диапазон применений Форт-систем.
Блок-схема стекового процессора приведена на рис. 1. В отличие от «обычного» микропроцессора, стековый процессор содержит два стека — стек данных и стек возвратов. Стек возвратов используется для возвратов из подпрограмм, как и у «обычных» микропроцессоров, а вот стек данных — это «привилегия» стекового процессора. Именно через стек данных производится передача параметров при вычислениях.
Стек Стек
данных возвратов
■ХА
АЛУ
Счетчик А Дешифратор
команд команд
Данные
■X- -X- Адрес
Память
Команды
Рис. 1. Блок-схема стекового процессора
Исторический экскурс
Нет еще такой машины времени, чтобы можно было заглянуть вперед и сказать, что и как будет применяться через 100-200 лет. Но на лекциях по философии нас учили, что развитие в природе идет по спирали. И если хочется узнать, что будет нас ждать впереди, лет через 10-20, то нужно оглянуться назад, посмотреть, что было там и «перенести» это на сегодняшнюю действительность. Итак, попробуем провести очень краткий исторический экскурс в эпохи «компьютерных динозавров», чтобы узнать, что нас ждет в будущем. Поскольку большинство читателей журнала «ходить, говорить и программировать начали одновременно», то за начало «исторической эры», естественно, выберем появление первых ІВМ РС. При этом все получится довольно привычно и «наукообразно», как в археологии. Итак, начнем наши раскопки.
Представим, что компьютерная история состоит из следующих эпох:
A) эпохи первых компьютеров и «доисторических компьютеров»;
Б) эпоха первых однокристальных микропроцессоров;
B) эпоха появления ІВМ РС;
Г) эпоха появления однокристальных микроконтроллеров;
Д) эпоха расцвета однокристальных микропроцессоров и ІВМ РС, появление ИКС-микропроцессоров и микроконтроллеров;
Е) эпоха появления первых «систем-на-кристалле».
Как и любая другая историческая формация, каждая компьютерная эпоха проходит стадию зарождения, расцвета, спада и затем гибели. Но при этом все свои достижения каждая эпоха передает следующей за ней эпохе, где эти достижения трансформируются под текущие нужды, развиваются, и затем либо отмирают, либо наследуются следующими поколениями. Но поскольку талант инженеров, программистов, бизнесменов не зависит от той эпохи, в которую они творили, то нам будет полезно внимательно сопоставить на-------www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 9'2003
правление деятельности людей, определявших уровень эпохи, с теми ресурсами, которые были в тот период у них в распоряжении.
Чтобы не утомлять читателя точными техническими данными, относящимися к тому или иному экспонату, позволим себе приводить только качественные оценки ресурсов процессоров. Поскольку основная сфера интересов автора — микропроцессорные системы и встроенные системы, то за базу для отсчета будем брать те ресурсы, которыми располагают современные микропроцессорные и встроенные системы.
Эпоха первых компьютеров и «доисторических компьютеров»
Погружаемся в доисторические времена. Программистов — всего только сотни. Языков программирования нет, Интернета нет, телеконференций, конечно, тоже нет. Как в таких условиях можно было что-то делать — с сегодняшней точки зрения совершенно не понятно. Ресурсов у машин крайне мало. Однако компьютеры производятся и продаются на коммерческих условиях. В обществе возникает потребность в Программном Обеспечении к компьютерам. Именно эта эпоха характеризуется тем, что у программистов очень много энтузиазма и желания работать. Происходит зарождение языков высокого уровня. Это приводит к облегчению труда программистов и к облегчению отладки программ. Поскольку аппаратных ресурсов мало, то возникает потребность в компиляции программ для систем с ограниченными ресурсами. Здесь необходимо отметить возникновение двух языков программирования, ориентированных на системы реального времени, имеющие ограниченные ресурсы — языки С и Форт. Разрабатываются первые операционные системы.
Эпоха первых однокристальных микропроцессоров
«Доисторические компьютеры» продолжают бурно развиваться, их аппаратные ресурсы значительно выросли. Соответственно, спрос на «доисторические компьютеры» вызвал рост электронной технологии, а это в свою очередь позволило совершить качественный скачок в развитии — создать однокристальные микропроцессоры. Наиболее известный представитель этого класса — Шй 8080. Были, как положено, и другие представители, но у нас в стране о них мало что известно. Итак, что можно сказать о первых однокристальных микропроцессорах? Да почти тоже, что и об их старших братьях. Ресурсов у машин также крайне мало. И они также производятся и продаются на коммерческих условиях. И снова в обществе возникает потребность в Программном Обеспечении именно к этим компьютерам. И снова эта эпоха характеризуется тем, что у пользо-вателей-программистов очень много энтузиазма и желания работать. Разрабатываются первые операционные системы, ориентированные на 8-разрядные микропроцессоры и на системы с минимальными аппаратными ресурсами. Появляются кросскомпиляторы.
Эпоха появления IBM PC
Развитие технологии электронной техники приводит к очередному скачку — появле-
нию 16-разрядной однокристальной машины (кристалл Ш:е1 8086 и 1ВМ РС на его основе). Присмотритесь внимательно к вашей сегодняшней машине, и вы увидите, что могучий Р4 унаследовал черты и Ш:е1 8086, и даже Ш:е1 8080. Поскольку далее начинается «наша эра», то остальное сравнение этой эпохи с другими читатель может провести сам. Отметим только, что Программное Обеспечение довольно быстро подгоняется под имеющиеся ресурсы.
Эпоха появления однокристальных микроконтроллеров
Итак, мы добрались до очень интересной эпохи — эпохи появления однокристальных микроконтроллеров. В чем же суть этого явления и зачем фирма Ш:е1 за них взялась? Как говорится, «а ларчик просто открывался». Все дело в стоимости выполнения одной вычислительной операции. Одна отдельно взятая операция должна выполняться на все более и более дешевых аппаратных средствах, но объем продаж этих средств должен невероятно увеличиваться. Посмотрите предыдущие эпохи — при переходе от одной эпохи к другой происходит удешевление вычислений, при этом объем продаж аппаратных средств резко увеличивается.
Первые микроконтроллеры. Ресурсов настолько мало, что и говорить об этом трудно. Отладка занудная, память команд — по карте заказа или однократно программируемая. У некоторых представителей память команд внешняя.
Здесь мы вплотную подошли к стековым процессорам. ЫС4000, в дальнейшем переименованный в ЫС4016 (Ыоу1х, 1985), стал первым чипом, разработанным для непосредственного выполнения команд Форта. Он был реализован на матричном кристалле, два массива аппаратных стеков были вынесены наружу и подключались через дополнительные стековые шины. Два верхних элемента стека данных Т и N а также один элемент стека возвратов И были расположены во внутренних регистрах. Процессор выполнял большинство команд, включая вызов подпрограмм, за один такт, что позволяло в одной 16-разрядной команде упаковывать несколько Форт-примитивов.
Эпоха расцвета однокристальных микропроцессоров и IBM PC, появление RISC-микропроцессоров и микроконтроллеров
Этот пункт хочется выделить, чтобы не упустить один довольно важный момент. К этой эпохе развитие электронной техники позволило интегрировать на кристалле значительные ресурсы. И что же происходит? Появляются первые микрокомпьютеры на кристалле. Это аналоги популярных микропроцессоров 1п1е1 80186 и 1П:е1 80386. То есть наступает момент, когда определяющим критерием при разработке микроконтроллера становится уже не технологический предел по числу вентилей в кристалле, а разработанное программное обеспечение.
Увеличение аппаратных ресурсов микроконтроллеров позволяет использовать языки программирования высокого уровня. А это, в свою очередь, приводит к возможности
быстрого переноса отлаженных программ с одной аппаратной платформы на другую. Появляется множество структур микропроцессоров. Идет интенсивное развитие программных средств, в том числе и операционных систем реального времени.
Было еще одно знаменательное событие, которое произошло в эту эпоху. Однако это событие было довольно мало известно даже у нас в стране. В эту эпоху в СССР появились первые интегральные стековые процессоры, а если говорить более точно, то Форт-процессоры. Эти процессоры поддерживали набор команд, существующий только в языке Форт. В следующей публикации мы подробно рассмотрим принцип работы Форт-процессора, а в историческом исследовании необходимо отметить, что эта эпоха в нашей стране отмечена появлением первого отечественного микропроцессора, разработанного и внедренного в производство отечественной негосударственной фирмой. Это была фирма «Форт-Инфо», проект Дофин-1610, год выпуска — 1990.
Стековые процессоры сегодня
Типичный представитель — набор микросхем TDS9092 FORTH CHIPS, производимый фирмой Triangle Digital Services (www.trian-gledigital.com, рис. 2).
Рис. 2. Набор микросхем TDS9092 FORTH CHIPS
63B01Y0FP — микропроцессор с масочно-зашитым Фортом и символическим ассемблером, с поддержкой многозадачного режима, часами реального времени, экранным редактором и поддержкой прерываний в Форте или ассемблере. Есть драйверы для шины I2C, алфавитно-цифровых ЖКИ, параллельных портов, двух последовательных портов, сторожевого таймера, клавиатуры и режимов малой мощности. Используется версия языка с расширенной 32-разрядной арифметикой, тригонометрией и функциями измерения скорости в реальном масштабе времени.
TDS9 — вентильная матрица, обеспечивающая 16 дополнительных параллельных портов (всего 35). Есть аппаратная поддержка для портов ЖКИ и для сканирования клавиатуры. Сторожевой таймер приводит систему в необходимое состояние в случае аварийного отказа. Сигналы выбора адреса используются для подключения внешней оперативной памяти и ППЗУ. Кроме того, есть резервные декодированные строки адреса для того, чтобы можно было непосредственно подключать внешние устройства типа АЦП.
В состав комплекта входят микросхемы RAM и PROM. PROM содержит коды прикладной программы, написанной на Форте
Компоненты и технологии, № 9'2003
или ассемблере. (Обратите внимание! В память программ пользователь загружает коды программы на языке высокого уровня!)
Кроме 8-разрядных решений фирма имеет также и 16-разрядные решения для Форт-систем, выполненные на базе стандартных микроконтроллеров.
Микропроцессор IGNITE™, разработанный фирмой Patriot Scientific Corporation (PTSC, www.ptsc.com), — это мощный 32-разрядный микропроцессор с очень высокой производительностью и плотностью упаковки команд, прекрасно исполняющий байт-коды Java, Forth и сгенерированные компиляторами языков C/C++ бинарные программы. Блок-схема приведена на рис. 3. Он имеет «безадресную архитектуру» ROSC (Removed Operand Set Computer — компьютер с безопе-рандным набором команд). Если его сравнить с RISC-микропроцессорами, то можно заметить, что у RISC-микропроцессоров часть кода команды (до 15 битов или больше в команде) тратится на определение трех возможных операндов для каждой команды. Архитектуре с нулевым операндом (стеком) эти биты операнда не нужны, таким образом, получаются намного более короткие команды, а следовательно, и меньший размер программы. Код операции этого микропроцессора «укладывается» в 8 бит, и за один цикл чтения 32-битного слова выполняется 4 команды. Кроме того, применение стека также позволяет сократить число регистров, выполнять сохранение в стеке и извлечение данных из стека в пределах одной процедуры, таким образом позволяя иметь более короткие последовательности команды и выполнять код быстрее.
Номер команды RISC MPU IGNITE
push g1
1 add #1, g2, g5 push g2
inc #1
2 sub g1, g5, g5 sub
3 add g5, g3, g5 push g3
add
4 shl g4, #1, temp push g4
shl #1
5 sub g5, temp, g5 sub
pop g5
Всего 20 байт Всего 10 байт
В таблице 1 приведен пример выполнения программы для вычисления функции g5 = g1-(g2+1)+g3-(g4x2) на RISC-процессоре и на процессоре IGNITE.
Таблица 1. Сравнение выполнения программы на RISC-процессоре и на процессоре IGNITE
Рис. 4. Окно программы конфигурации периферии встроенного процессора Nios
как мы помним, на новом, более высоком уровне. Рост технологии — появление FPGA, увеличение ресурсов FPGA, удешевление встроенных в FPGA микропроцессоров. И снова мы проходим по тому же витку спирали. Ресурсов у встроенных машин также крайне мало. И снова в обществе возникает потребность в Программном Обеспечении именно к этим встроенным микроконтроллерам. И снова эта эпоха характеризуется тем, что у программистов очень много энтузиазма и желания работать. Только теперь в «игре» не одни любители-энтузиасты. В дело вступают мощные фирмы-производители микросхем FPGA. Разрабатываются первые инструментальные системы конфигурирования, отладки и тестирования, ориентированные на встроенные микропроцессоры и микроконтроллеры, работающие в системах с минимальными аппаратными ресурсами [7]. На рис. 4 показано одно из окон программы конфигурации периферии встроенного процессора Nios фирмы Altera.
Как и следовало ожидать, кроме различных ядер с RISC-процессорами и IP-ядер, повторяющих стандартные микроконтроллеры, появляется множество различных разработок IP-ядер Форт-процессоров. Разработки выполняются в университетах студентами, любителя-ми-одиночками, фирмами. В таблице 2 приведены описания двух типичных Форт-процессоров, выполненных в FPGA. Оба имеют типичные для Форт-процессоров архитектуры.
Таблица 2. Ядра Форт-процессоров,
выполненные в FPGA
Эпоха появления первых систем на кристалле, 1Р-ядра
Наконец, уважаемый читатель, мы выбрались из дебрей истории и дошли до сегодняшнего дня. Оглядываемся — и видим настольные компьютеры с невероятными ресурсами. Микроконтроллеры — любых сортов и мастей. И их ресурсы таковы, что иная «доисторическая машина» и мечтать об этом не могла. Однако, как зеленый росток из-под асфальта, упрямо лезет что-то новое, называемое «системой-на-кристалле» [4]. Причем суть этого явления все та же — сделать каждую вычислительную операцию дешевле, но объем продаж этих вычислительных средств невероятно увеличить. И вот опять ситуация напоминает то, что уже было, но,
Назва- ние Разряд- ность Число логических ячеек в FPGA Синхро- частота
MSL16 16 Xilinx 4006E-1, 175 CLBs 33~ M^
b16 16 Flex10K30E About 600 LCs, 25 M^
Необходимо добавить, что для процессора b16 его автор Bernd Paysan [16], отмечает, что в случае выполнения ядра процессора по технологии TSMC 0,5 < 0,4 мм2 с 3 слоями металлизации при питании 5 В (то есть на сегодняшний день это далеко не передовая технология) и со стеком, имеющим 8 элементов, может быть получена тактовая частота 100 МГц.
Однако встречаются и проекты, где преследуются цели получения максимальной производительности. Тогда на свет появляются продукты, подобные 4stack.
Ядро процессора 4stack (http://www. jwdt.com/~paysan/4stack.html) использует набор команд, ориентированных на работу со стеками для четырех узлов обработки, вы- www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 9'2003
PicoJava-ll Core
I/O and Memory Interface units
^32
$ I (0-16KB)
32
PC &Trap Control
Instruction
Decode
32
I J
Execution
Control
Logic
Stack Cache {reg file)
|32
$D(0-16KB)
Data Cache Control
96
Integer Floating
units Point units
Рис. 5. Ядро микропроцессора picoJava
полненных как VLIW-сопроцессоры. Если бы процессор 4stack был выполнен по самой современной технологии, то он значительно превзошел бы по быстродействию такие высокопроизводительные DSP-устройства, как TMS 320C6x или TigerSHARC.
Процессор имеет четыре арифметико-логических устройства и выполняет четыре операции со стеками, две операции load/store и две операции модификации адреса. Два блока DSP MAC и два сопроцессора для операций с плавающей точкой (один сумматор и один умножитель), позволяют производить высокоэффективную обработку сигналов и трехмерные геометрические вычисления. Именно поэтому процессор 4stack имеет достаточную производительность, которая может быть использована в блоках цифрового телевидения.
Упрощение архитектуры VLIW приводит, с одной стороны, к сокращению количества транзисторов, а с другой — к сокращению связей внутри кристалла и уменьшению энергопотребления. Для сравнения можно сопоставить Athlon с его приблизительно 20 миллионами транзисторов. Он потребляет 40 Вт при 1 ГГц, в то время как ядро процессора 4stack, выполненное по той же самой технологии, по предварительной оценке, будет потреблять 1 Вт при той же частоте 1 ГГц.
Применение стека, как было сказано выше, очень увеличивает плотность команды. В то время как нормальный RISC-процессор использует для одной команды 32 бита, процессор 4stack одновременно выполняет 8 операций в 64 битах. Архитектура VLIW может не всегда заполнять каждый слот операции, однако в том случае, когда заполнено не менее двух слотов операции, процессор 4stack уже имеет выигрыш по производительности. Это позволяет лучше использовать память программы, сокращая цену чипа (меньший кэш команд) и системные затраты (меньше оперативной памяти). Выполнение переходов без дополнительных циклов ожидания позволяет производить быстрое выполнение обычной и объектно-ориентированной рабочей программы (быстро обработать перетранслированный Java-код). Процессор 4stack имеет защиту памяти, виртуальную память, различные режимы supervisor/user и другие вещи,
Instruction Folding
No Folding (Stack Top}
(Stack Top)
(Stack Top)
lload_1
(Stack Top)
Result
lload_2
ladd
lload_3
Clock-4
Result
Î ^1
(Stack Top)
Var-2
Result
Var-1
«Instruction Folding»
Folding-issuing up to four
inspections in parallel.
(lload_1 +iolad_2+iadd+istore_3)
Рис. 6. Сравнение Instructions Folding и обычной технологии
которые обычно имеют центральные процессоры ПК. В то же время большинство центральных процессоров, применяемых в ПК, не имеют аппаратной поддержки DSP.
Появление Java-процессоров — новый виток гонки
Распространение интернет-технологий вызвало потребность создания устройств широкого применения, таких, как справочные терминалы, домашние устройства для доступа в Интернет и т. д. Для этих целей были созданы процессоры, непосредственно исполняющие байт-код Java. Java-процессоры также используют архитектуру стека. Далее приведены описания только двух представителей из семейства Java-процессоров.
Ядро микропроцессора picoJava фирмы Sun Microsystems (рис. 5, [15-18]) было разработано в конце 1990-х годов, оно предназначено для выполнения байт-кода Java так, как определено в Java Virtual Machine (JVM). Оно может также выполнять код C/C++ с эффективностью сопоставимых архитектур RISC-процессоров.
При разработке ядра процессора picoJava были применены очень интересные технические решения, направленные на повышение быстродействия. Полное описание работы ядра — это тема отдельной статьи, поэтому здесь хочется только кратко упомянуть одно решение — технологию Instructions Folding. Традиционная работа стековой машины представлена на рис. 6, на верхнем, зеленом поле. Для того чтобы обработать две переменные Var-1 и Var-2, выполняются следующие действия: сначала одна, затем вторая переменная заносится на вершину стека, после чего над ними выполняется требуемая операция, результат которой заносится в определенное место памяти. На обработку тратится 4 такта.
На нижнем, синем поле, представлена диаграмма работы ядра процессора picoJava. После того как ядро получает очередную команду, производится анализ этой команды на «совместимость». До 4 команд может быть объединено в один folder, после чего они
«совмещаются» в одну команду и выполняются. На диаграмме показано, что обработка двух переменных Var-1 и Var-2 объединена вместе с записью результата в одну команду, которая выполняется за один такт.
Примером применения технологии picoJava-II может служить микропроцессор Fujitsu MB86799. Он состоит из ядра picoJava-II, внешней интерфейсной шины и интерфейса шины PCI. Он имеет кэш команд 8 кбайт, кэш данных 8 кбайт, кэш стека с 64 входами и сопроцессор для операций с плавающей точкой (рис. 7). MB86799 может работать с внешней максимальной частотой 33 МГц и внутренней частотой 66 МГц. Соотношение внутренней и внешней частоты может быть от 2 до 5. Чип потребляет 360 мВт от источника питания 2,5 В при тактовой частоте 66 МГц.
Дальнейшим развитием этого направления стал микропроцессор MB92901 (рис. 8). Он выполнен по технологии «0.25цт/4 layered Al», имеет питание 2,5/3,3 В, кэш команд 8 кбайт, кэш данных 8 кбайт и шину данных для подключения памяти с разрядностью в 32 бита. Синхрочастота — 66 МГц. Периферийные блоки: контроллер прерываний (до 16 каналов), сторожевой таймер, таймеры (3 канала), системный таймер, порт для последовательной связи, UART, 8-разрядный порт I/O. Корпус — LQFP-208P.
External Bus l/F
PCI Bus l/F
Bus Switch Unit
picoJava-И Core
I-Cache
D-Cache
Stack-Cache
FPU
Mode Control
PMU
PLL
Рис. 7. Блок-схема микропроцессора MB86799
Компоненты и технологии, № 9'2003
Power Manggment Unit
PicoJava-ll
core
I 1$ : 8 KB I I D$: 8KB I
BIU
■ I
EX Bus l/F (with SDRAMC) Resource Bus l/F
і
WDT
IRC
Timer
x3ch
SIO
UART
I/O x8 bit
32-bit
Рис. S. Блок-схема микропроцессора MB92901
Java Chip Road Map
A
0.25цт
МЬ86799
0.25 цт МЬ92901
High performance for multimedia (100/150MHz)
pico Java pico Java
evaluation chip + standart peripheralc
Low power consumption, for mbile appliances
1999 2000 2001 2002
Рис. 9. Тенденция развития Java-микропроцессоров на базе ядра picoJava
-м
Тенденция развития Java-микропроцессоров на базе ядра picoJava представлена на рис. 9. Микропроцессоры будут развиваться в двух направлениях: первое — для высокопроизводительных устройств, второе — для переносных устройств с малым энергопотреблением.
LavaCORE — 32-разрядное ядро Java-процессора, предназначенное для реконфигурируемых аппаратных средств и оптимизированное для применения в Xilinx Virtex-II. Оно разработано фирмой Derivation Systems, Inc. (DSI) (www.derivation.com), являющейся партнером фирмы Xilinx и может быть загружено с сайта Xilinx IP Center (www.xilinx.com/ipcen-ter). Ресурсы, занимаемые ядром процессора на кристалле, и характеристики микропроцессора приведены в таблице 3.
Ядро процессора непосредственно выполняет байт-код Java-аппаратным способом. LavaCORE выполнено как soft-ядро процессора с набором программных инструментальных средств для выполнения Java-приложения и конфигурирования процессора.
На рис. 10 приведена блок-схема ядра LavaCORE с дополнительными модулями. Ядро процессора состоит из блока целочисленных вычислений, программируемых таймеров, регистрового файла и контроллера прерывания. Дополнительные модули включают местную память, внутреннюю память, расположенную в FPGA, аппаратный блок кодирования, блок вычислений с плавающей точкой и сборщик мусора. Варианты конфигурации позволяют произвести выбор того, какие команды байт-кода Java могут быть опущены или перенесены из аппаратных
средств в программное обеспечение, а также выбрать размеры кэша и разрядность шины данных (32, 16 или 8 бит).
Таблица 3. Ресурсы, занимаемые ядром процессора LаvаCORE
Таблица 4. Сигналы ядра процессора LavaCORE
Supported Family Device Tested CLB Slices Clock IOBs* IOBs* Perfor- mance (MHz) Xilinx Tools
Virtex II 2V1000-5 1926 1 112 20 ISE 3.3
Virtex-E V300-8 1903 1 112 16 ISE 3.3
Примечание:
* Все входы-выходы ядра процессора подключены
ко входам-выходам кристалла.
На рис. 11 изображена диаграмма интерфейса LаvаCORE. Сигналы интерфейса (табл. 4) включают в себя сигналы синхрочастоты, сброс, захват, подтверждение захвата, интерфейс памяти и флажки состояния. Ядро содержит в себе регистровый файл 32x32 бита, три 8-битовых регистра команд, буфер выборки команд (что позволяет уменьшить время доступа к памяти), поддержку кэширования и 32-разрядное арифметико-логическое устройство, выполняющее целочисленные и логические операции.
Появляются первые гибридные «системы-на-кристалле»
Так можно было бы назвать кристалл, состоящий из двух областей — аппаратного микроконтроллера и FPGA, который может конфигурироваться пользователем. Поскольку в качестве аппаратного микроконтроллера в таких системах стековые процессоры пока не используются, то в данном разделе огра-
Signal Direction Description
CK Input System Clock
RST_LO Input System Reset (active low)
HOLD Input Hold processor state; idle after current instruction
HOLD_ACK Output Hold request acknowledge
IOPP Output Supervisory memory read/ write for peek/poke
INTR Input Interrupt request
FS[7:0] Output Processor status byte
MEMWR Output Memory Write Strobe
MEMRD Output Memory Read Strobe
MEMRDY Input Memory Ready Strobe
ADDR[31:0] Output Memory Address
DATAIN[31:0] Input Memory Data Input
DATAOUT[31:0] Output Memory Data output
ничимся упоминанием сайтов фирм Altera, Triscend, Atmel и др., где имеются достаточно подробные описания.
Заканчивая обзор
Как мы видим из проведенного небольшого исторического исследования, постепенное развитие технологии приведет к удешевлению «систем-на-кристалле» и гибридных «систем-на-кристалле». На первых порах ресурсов для «систем-на-кристалле» будет мало (это мы видим уже сейчас). Поскольку аппаратные ресурсы встроенных микроконтроллеров ограничены, то ситуация будет напоминать эпоху первых микропроцессоров.
И еще несколько слов о том, «кто заказывает музыку». Как упоминалось выше, наступает некоторый уровень развития технологии электронной техники, когда уже не требования технологии определяют, сколько
LavaCore™ Configurable Java™ Processor
Lava CORE Processor
ALU Register File
Local Memory Interrupt Controller
Programmable Timers Encryption Unit
External
Memory
Garbage
Collector
^ Optional Modules
Рис. 10. Блок-схема ядра LavaCORE с дополнительными модулями
LavaCORE Processor Schematic
CK -RST_LO -HOLD HOLDBACK -IOPP -
INTR -
LavaCORE Processor
MEMWR MEMRD MEMORY ADDR[31:0] DATAI N [31:0] DATAOUT[31:0]
FS[7:0]
Рис. 11. Диаграмма интерфейса LavaCORE X9192
(Примечание: на вопрос «почему здесь MEMRDY обозначен как выход, а в таблице как вход?» от фирм Xilinx и DSI автор ответа не получил)
Компоненты и технологии, № 9'2003
и каких ресурсов можно разместить на крис- 5 талле. Теперь архитектуру кристалла будет определять необходимость поддержки определенного языка программирования с опре- 6 деленным набором команд. И чем проще архитектура микропроцессора, требуемая для поддержания языка высокого уровня, тем раньше это произойдет. Можно ожидать, что удешевление ресурсов для «систем-на-крис-талле» приведет к еще большему увеличению рынка сбыта этих устройств.
Таким образом, применение стековых машин становится наиболее целесообразным для небольших встроенных применений, так как позволяет получить поддержку языка высокого уровня и упростить отладку системы. Однако применение Форт-процессоров будет, как и на предыдущих этапах, тормозиться отсутствием квалифицированных программистов, с одной стороны, а с другой стороны — отсутствием свободно распространяемого программного обеспечения для встроенных систем.
Литература
1. Баранов С.Н., Ноздрунов Н.Р. Язык Форт и его реализация. Л.: Машиностроение. 1988.
2. Бураго А.Ю., Кириллин В.А., Романовский И.В. Форт — язык для микропроцессоров. Ленинградская организация общества «Знание» РСФСР. 1989.
3. Броуди Л. Начальный курс программирования на языке ФОРТ. М.: «Финансы и статистика». 1990.
4. Кривченко И. Системы на кристалле: общее представление и тенденции развития // Компоненты и Технологии. 2001. № 6.
5. Каршенбойм И. Микропроцессор своими руками // Компоненты и Технологии. 2002. № 6, 7.
6. Каршенбойм И. Микропроцессор своими руками-2. Битовый процессор // Компоненты и Технологии. 2003. № 7, 8.
7. Каршенбойм И. Микропроцессор для встроенного применения Nios. Система команд и команды, определяемые пользователем // Компоненты и Технологии. 2002. № 8, 9.
8. Каршенбойм И. Микропроцессор для встроенного применения Nios. Конфигурация шин и периферии // Компоненты и Технологии. 2002. № 2, 3, 4, 5.
9. Зотов В. PicoBlaze — семейство восьмиразрядных микропроцессорных ядер, реализуемых на основе ПЛИС фирмы Xilinx // Компоненты и Технологии. 2003. № 4.
10. Купман Ф. Stack Computers. http:// www.ece.cmu.edu/~koopman/stack.html.
11. Leong P.H.W., Tsang P.K., Lee T.K.. MSL16. Китайский Университет Гонконга.
12. b16 — A Forth Processor in an FPGA. Bernd Paysan. http://www.jwdt.com/paysan/b16.html.
13. Зубинский А. Прагматичные процессоры // Компьютерное обозрение. 2001. № 17.
14. PicoJava Overview. http://www.sun.com/ microelectronics/picoJava/overview.html.
15. В. Коржов. PicoJava I — первый процессор Java. Сети. 1997. № 1.
16. Харлан Макгэн, Майк О'Коннор. PicoJava: Механизм непосредственного выполнения байт-кода Java // Открытые системы. 1999. № 1. http://osp.admin.tomsk.ru/os/ 1999/01/17.htm.
17. Роберт Макмиллан. Sun готовит новые микросхемы Java. SunWorld. http://www.airport. sakhalin.ru/ospru/java/1997/05/05.htm.
