RISC处理器

RISC处理器

RISC(精简指令集计算机)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于80年代的MIPS主机(即RISC机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。

这样一来,它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令,即MIPS)。

因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件,计算机指令集越大就会使微处理器更复杂,执行操作也会更慢。

性能特点一:由于指令集简化后,流水线以及常用指令均可用硬件执行;
性能特点二:采用大量的寄存器,使大部分指令操作都在寄存器之间进行,提高了处理速度;
性能特点三:采用缓存—主机—外存三级存储结构,使取数与存数指令分开执行,使处理器可以完成尽可能多的工作,且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。其中ARM/MIPS/PowerPC均是基于精简指令集机器处理器的架构;X86则是基于复杂指令集的架构,Atom是x86或者是x86指令集的精简版。

根据各种新闻,Android在支持各种处理器的现状:

ARM+Android 最早发展、完善的支持,主要在手机市场、上网本、智能等市场;

X86+Android 有比较完善的发展。有atom+Android的上网本,且支持Atom+Android 和 Atom+Window7双系统;

MIPS+Android 目前在移植、完善过程中;

Powpc+Android 目前在移植、完善过程中。

ARM系列处理器

ARM架构,过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,更早称作:Acorn RISC Machine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。

由于节能的特点,ARM处理器非常适用于行动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。

在今日,ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例,使它成为占全世界最多数的32位架构之一。

ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到,从可携式装置(PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏,和计算机)到电脑外设(硬盘、桌上型路由器),甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。

在此还有一些基于ARM设计的派生产品,重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。

优势:价格低,能耗低;

ARM 授权方式:ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售 CPU ,而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。

ARM 提供了多样的授权条款,包括售价与散播性等项目。对于授权方来说,ARM 提供了 ARM 内核的整合硬件叙述,包含完整的软件开发工具(编译器、debugger、SDK),以及针对内含 ARM CPU 硅芯片的销售权。

对于无晶圆厂的授权方来说,其希望能将 ARM 内核整合到他们自行研发的芯片设计中,通常就仅针对取得一份生产就绪的智财核心技术(IP Core)认证。

对这些客户来说,ARM 会释出所选的 ARM 核心的闸极电路图,连同抽象模拟模型和测试程式,以协助设计整合和验证。

需求更多的客户,包括整合元件制造商(IDM)和晶圆厂家,就选择可合成的RTL(暂存器转移层级,如 Verilog)形式来取得处理器的智财权(IP)。

借着可整合的 RTL,客户就有能力能进行架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者完成额外的设计目标(如高震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等)而不会受限于无法更动的电路图。

虽然 ARM 并不授予授权方再次出售 ARM 架构本身,但授权方可以任意地出售制品(如芯片元件、评估板、完整系统等)。

商用晶圆厂是特殊例子,因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品,对其它客户来讲,他们通常也保留重制 ARM 内核的权利。

x86系列/Atom处理器

x86或80x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。

x86架构是重要地可变指令长度的CISC(复杂指令集电脑,Complex Instruction Set Computer)。

Intel Atom(中文:凌动,开发代号:Silverthorne)是Intel的一个超低电压处理器系列。处理器采用45纳米工艺制造,集成4700万个晶体管。L2缓存为512KB,支持SSE3指令集,和VT虚拟化技术(部份型号)。

现时,Atom处理器系列有6个型号,全部都是属于Z500系列。它们分别是Z500、Z510、Z520、Z530、Z540和Z550。最低端的Z500内核频率是800MHz,FSB则是400MHz。而最高速的Z550,内核频率则有2.0GHz,FSB则是533MHz。

从Z520开始,所有的处理器都支持超线程技术,但只增加了不到10%的耗电。双内核版本为N系列,依然采用945GC芯片组。

双内核版本仍会支持超线程技术,所以系统会显示出有4个逻辑处理器。这个版本的两个内核并非采用本地设计,只是简单的将两个单内核封装起来。

MIPS系列处理器

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages),其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。

它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。

MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司,它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点,并可以应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。

MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一,新的架构集成了所有原来MIPS指令集,并增加了许多更强大的功能。MIPS自己只进行CPU的设计,之后把设计方案授权给客户,使得客户能够制造出高性能的CPU。

1984年,MIPS计算机公司成立,开始设计RISC处理器;

1986年推出R2000处理器。

1992年,SGI收购了MIPS计算机公司。

1988年推R3000处理器。

1991年推出第一款64位商用微处器R4000;之后又陆续推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。

1998年,MIPS脱离SGI,成为MIPS技术公司;随后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统;1998年-MIPS科技股票在美国纳斯达克股票交易所公开上市。

1999年,MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准,为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集,并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核(core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS64 5Kc。

2000年,MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

2007年8月16日-MIPS科技宣布,中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。

2007年12月20日-MIPS科技宣布,扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可定制化系统单芯片(SoC)核心“MIPS32 24KEc Pro”授权。

PowerPC系列处理器

PowerPC 是一种精简指令集(RISC)架构的中央处理器(CPU),其基本的设计源自IBM(国际商用机器公司)的IBM PowerPC 601 微处理器POWER架构。二十世纪九十年代,IBM(国际商用机器公司)、Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司开发PowerPC芯片成功,并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。

PowerPC 处理器有广泛的实现范围,包括从诸如 Power4 那样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场(任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC)。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现,因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O,该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。

实时性(Real Time)DSP架构

DSP是微处理器的一种,这种微处理器具有极高的处理速度.因为应用这类处理器的场合要求具有很高的实时性(Real Time)。比如通过移动电话进行通话,如果处理速度不快就只能等待对方停止说话,这一方才能通话。

如果双方同时通话,因为数字信号处理速度不够,就只能关闭信号连接.在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU(微处理器)来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。

因此,直到70年代,有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上,即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的,其应用领域仅局限於军事、航空航天部门。

90年代DSP发展最快,相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属於第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域。

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计算机外部设备(如打印机、扫描仪、音响等)的待机能耗不但增加了消费者的日常电费开支,也使电力资源浪费极大。该设计的计算机智能节能插座利用主机的开机和关机来带动其他设备的开或关,使其接口设备待机能耗为零,能够减少计算机及其外设所产生的辐射,以此达到节能和环保功效;同时还具备有分段定时开关的功能。该智能插座也可以通过功能转换作为普通插座使用,不影响其他设备的使用。

1、智能插座的设计

1.1 智能插座的硬件结构

计算机智能节能插座的硬件结构图如图1所示。该控制器以AVR mega 48为控制核心,外围电路主要由电流采样电路、模/数转换参考电压电路、状态显示电路、键盘输入电路和实时时钟构成。电流采样电路用于检测计算机的运行状态和过流保护;数/模转换参考电压电路为电流的采样提供参考;状态显示电路表明插座当前的运行状态;键盘输入实现普通插座与智能插座的切换、设置待机临界电流值、设置分段开关的时间点。计算机主机运行状态通过主机接口的电流互感器检测,过流保护通过另一互感器检测,当电流大于额定电流一定时间时切断受控插座的电源,对外设起到保护作用。由于互感器的感应电流较小,在数/模转换过程用对参考电压的要求较高,该设计采用带隙恒压源TL431作为A/D转换的参考电压。不同的计算机主机的待机电流可能不同,因此通过外部键盘可以采样待机电流为临界值,同时可以设置插座作为普通插座使用;RTC时钟由PCF8563构成。

基于AVR的智能节能插座设计方案

1.2 AVR单片机

AVR微处理器是Atmel公司的8位嵌入式RISC处理器,具有高性能、高保密性、低功耗等优点,程序存储器和数据存储器可独立访问的哈佛结构,代码执行效率高。该系统采用的mega 48v处理器包含有4 KB片内可编程FLASH程序存储器;512 B的E2PROM和512B RAM;同时片内还集成了看门狗;8路10位ADC;3路可编程PWM输出;具有在线系统编程功能,片内资源丰富,集成度高,使用方便。使用AVR mega48V可以很方便地实现外部输入参数的设置、电流检测、工作状态的指示等。

1.3 电流采样电路

该设计采用电流型电流互感器采样交流电流,一路采样主机接口电流实现开关控制,另一路采样受控接口电流实现过流保护(见图2)。电流互感器的输出信号经过I-V变换后用mega 48采样,根据互感器的变比系数可以计算出电流的有效值。I-V变换的输出电压经过比较器后,若达到过流极限(设定为10 A)则触发外部中断,经过中断程序处理判断是否达到过流值并执行过流保护动作。

基于AVR的智能节能插座设计方案

1.4 电源电路

单片机的工作电压和继电器的线圈侧电压为5 V直流电压,考虑成本和空间因素,采用阻容降压的方式产生。如图3所示。

基于AVR的智能节能插座设计方案

图3中:C3为CBB降压电容;_R13在电源断开后为C3提供放电回路;R4为限流电阻;经过全波整流后D11将电压箝位在5.1V。C3在电路中的容抗XC为:XC=(1/2)πfc,电流,为了满足继电器吸合时的电流要求,取C3的值为1μF,最大电流可以达到100 mA以上。由于为非隔离电源,使用过程中零电位不能与大地相连。

1.5 继电器驱动电路

受控插座的通断是由继电器控制的。该设计采用的线圈侧电压为5V的继电器,用S8050驱动继电器。mega 48具有较强的I/O驱动能力,R17起到限流作用;下拉电阻R18可以避免继电器误动作;D12为继电器断开时提供放电回路。如图4所示。

基于AVR的智能节能插座设计方案

1.6 键盘电路

采用单按键的输入方式,用于设定普通插座和智能插座的功能转换和需要定时开关时的时间设定。在程序运行过程中,通过定时中断检测是否有按键按下。当功能键按下不超过10s时进入定时开关模式,并通过加减按键设定定时开关的时间;当功能键按下超过10 s时切换为普通插座使用,若在需要切换为智能插座,则执行相同的操作。设定的参数和模式保存在mega 48的E2PROM中。

1.7 状态显示和告警电路

该设计采用LCDl602液晶显示系统的状态信息,包括是否采用智能控制,主机运行状态、受控口状态。LCDl602采用7线驱动法,接1 kΩ电阻到地,用于调节液晶显示对比度。显示数据和指令通过LCDl602的DB4~DB7写入。同时具备有声光告警功能,当出现过流或则定时切断时间到时,相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器告警,并执行相应的动作。

1.8 实时时钟电路

实时时钟电路为定时开关提供精确的时间。用CR2025镍氢纽扣电池作为PCF8563的后备电池(见图5)。

基于AVR的智能节能插座设计方案

2、智能插座的软件设计

主程序主要完成对I/O,定时器的初始化、读出存储在E2PROM中的系统参数,同时根据模式设定进入相应的处理程序。该插座可运行于3种模式:智能定时模式、智能节能模式和普通模式。模式的切换通过模式按键来选择。参数的测量主要由中断服务程序定时完成。图6为主程序流程图。

基于AVR的智能节能插座设计方案

由于不同的计算机待机电流大小不一样,因此在使用前需采样主机的待机电流。首先将主机进入待机模式,通过模式按键进入中断后采样此时的电流,并存入E2PROM中。

3、智能插座的测试

将设计的插座按图7的方式连接测试,采用P4双核计算机和17寸显示器进行测试,显示器待机功耗为5W,待机电流约25mA。进入待机状态后,按插座上的采样按钮,将此计算机的待机电流采样存进E2PROM,测试结果表明,当计算机进入待机状态后,插座可以有效的切断显示器的电源。

基于AVR的智能节能插座设计方案

4、结语

本文设计的智能节能插座,具有智能节能和定时开关功能,也可作为普通插座使用。经过测试,系统显示出了良好的控制效果,不仅使计算机外设的待机功率降为零,同时也起到了保护外设的作用,在节能减排方面具有一定的社会效益和广泛的推广价值。

来源: eeworld

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