Ievads datoru arhitektūrā DST203

1.

Ievads datoru arhitektūrā
DST203
10. Lekcija
Specifiskās arhitektūras
Asoc.prof., Dr.sc.ing, Dmitrijs Bļizņuks
1

2.

Saturs
Mikrokontrolleri
Bezvadu sensori
Paralēlā skaitīšana (GPU, TPU, FPGA, ASIC)
2

3.

Mikrokontrolleris un mikroprocesors
Essentials
Intel Celeron G5905
Launch Date Q3'20
Lithography14 nm
Recommended Customer Price $42.00
CPU Specifications
# of Cores 2
# of Threads 2
Processor Base Frequency 3.50 GHz
Cache 4 MB Intel® Smart Cache
Bus Speed 8 GT/s
TDP 58 W
Cena?
Mikrokontrolleris ir lētāks?
3
3

4.

Mikrokontrolleris un mikroprocesors
Cena?
Mikrokontrolleris ir lētāks?
4
4

5.

Mikrokontrolleris un mikroprocesors
Izmērs?
5
5

6.

Mikrokontrolleris un mikroprocesors
Cena — 5$
Mikrokontrolleris?
6
6

7.

Mikrokontrolleris
• Operē ar ārējo vidi
• Iebūvēts (iegults) iekārtā
• Mērķēts uz viena uzdevuma efektīvāko izpildi
Vienā kristālā:
• CPU,
• RAM,
• IO (Input Output).
• Zemā cena (STM8 – 0.25€)
• Reālā laikā izpilde
7
7

8.

Reāllaiks
8
8

9.

1kB programma
4kB video
9
9

10.

Mikrokontrolleru izvēle
Mikrokontrolleru tirgus vērtība pasaulē
10
10

11.

Mikroprocessoru paaudzes
Intel 8080
2 MHz
Reģistri un dati – 8 bit
RAM – 64 KB
Intel 80486
16–100 MHz
Reģistri un dati – 32 bit
RAM – 4 GB
Intel Pentium 4
1–3 GHz
Reģistri un dati – 64 bit
RAM – 16 EB (16 777 216 TB)
11
11

12.

Tipiskais mikrokontrolleris
Mikroprocesors — veic skaitļošanu un loģiskās operācijas, sazinās
ar pārējiem moduļiem, izmantojot kopni.
Mikrokontrolleris — mezgls, kas apkopo vienā kristālā vairākus
moduļus, lai reaģēt uz ārpasaules notikumiem, izmantojot digitālas
un analogās ieejas un izejas.
Tipiskā mikrokontrollera parametri:
– Takts frekvence – 1..20 MHz,
– Operatīvas atmiņas apjoms – 1..10 KB,
– Flash atmiņa – 10..100 KB,
– Ieeju/izeju skaits – 5..100 gab.
12
12

13.

13
13

14.

Mikrokontrolleris un mikroprocesors
14
14

15.

Mikrokontrolleris un mikroprocesors
Nelielā projekta piemērs – temperatūras kontroles sistēma.
Uzdevumi:
Periodiski nolasīt temperatūru (analoga vērtība, tiek nolasīta izmantojot
sensoru — 4 biti),
Kontrolē temperatūru pamatojoties uz šī brīža temperatūru (ieslēgt un
izslēgt sildītāju — 1 bits),
Attēlot šī brīža temperatūru vienkāršā 3
simbolu displejā (8+3 biti),
Atļaut lietotājam piemērot
temperatūras robežas (pogas — 4 biti),
Jābūt iespējai konfigurēt/uzlabot
sistēmu izmantojot seriālo interfeisu.
15
15

16.

Izpilde ar mikroprocesoru
Uzdevuma realizēšanai izstrādājam drukātās shēmas plati (PCB) izmantojot:
Zilog izstrādāto procesoru Z80,
2 PIO (paralēlais I/O, iekšējai komunikācijai),
1 SIO (seriālo I/O, lai sazinātos ar datoru),
1 CTC (taimeri, periodiskām darbībām),
SRAM (mainīgajiem datiem),
Flash (programmas glabāšanai),
EEPROM (konstantiem datiem).
16
16

17.

Izpilde ar mikroprocesoru
Kā redzams, tad uz plates ir daudz mikroshēmu, kas aizņem lielāko daļu vietas.
17
17

18.

Izpilde ar mikrokontrolleri
Tajā pašā laikā šo problēmu ir iespējams atrisināt izmantojot ATmega16 plati.
Atšķirība ir 5 – 6 reizes. Turklāt ATmega16 ir pieejams vairāk dažādu funkciju
nekā Z80.
18
18

19.

Mikrokontrolleris un mikroprocesors
19
19

20.

Mikrokontrollera arhitektūra
Mikroprocessors:
• Skatiļošanas mezgls (ALU),
• Reģistri,
• Vadība.
Atmiņa:
• Flash,
• SRAM,
• EEPROM.
Ievadi / izvadi:
• Ciparu IO,
• Analogie IO,
• Seriāls interfeiss.
Papildmoduļi:
• Sargtaimeris (watchdog),
• Pārtraukumu kontrolleris.
20
20

21.

Procesora kodols
V13
Vadības
mezgls
V01
Karodziņu
reģistrs
V02
Steka
rādītājs
V03
Komandu
skaitītājs
Komandu
reģistrs
V04
Kods
Adrese
V05
V06
Dešifrators
V07
V08
V14
(lasīt)
V09
V10
Atmiņa
V15
(rakstīt)
V11
V12
Datu reģistrs
V16
V17
Kopne
V22
V18
Reģistrs 1
V20
ALM
V19
Reģistrs 2
V23
V21
21
21

22.

Tipiskais mikrokontrolleris
Minimālā
slēguma
shēma
22
22

23.

Sargtaimeris (Watchdog)
Pēc statistikas, programmas kods satur ap 5% kļūdu.
Pat ideālā programma var nestrādāt pareizi. Pētījumi rāda,
ka 1Gb SRAM atmiņā notiek bitu kļūdaina maiņa ik pēc
divām nedēļām. Par cēloni var kļūt piemēram kosmiskais
starojums.
“Cosmic rays cannot be eliminated at their source, and effective shielding
would require meters of concrete or rock. To eliminate the soft memory
errors that are induced by cosmic rays, memory manufacturers must either
produce designs that can resist cosmic ray effects or else invent
mechanisms to detect and correct the errors.”
Sistēmu var atgriezt zināmā stāvoklī pārstartējot to.
Kā to izdarīt ja mikrokontrolleris nav fiziski sasniedzams?
23
23

24.

Sargtaimeris (Watchdog)
24
24

25.

Sargtaimeris (Watchdog)
Eksistē gan iekšējie “software” sargtaimeri, gan arī ārējie.
Sargtaimera funkcionēšana ir neatkarīgā no pamatprogammas.
25
25

26.

Sargtaimeris (Watchdog)
void setup(){
wdt_enable(WDTO_1S);
}
void loop()
{
wdt_reset();
print(“Ok”);
delay(1500);
print(“This will not be printed”);
}
26
26

27.

Iegultās sistēmas / IoT
Mikrokontrolleri + radio + sensors
Enerģijas patēriņš
Pāšorganizācija un redundance
27

28.

Pielietojumu sfēras
28
28

29.

Sensormezgla struktūra
29
29

30.

Sensormezgla fiziskie izmēri
Lielākoties izmērs ir atkarīgs
no barošanas avota izmēriem
30
30

31.

Ierobežojumi
• Ierobežots enerģijas apjoms (izmērs/svars),
• Salidzinoši liels patēriņš sensormezglam,
• Ierobežotas skaitļošanas un datu pārraides spēja.
18650 Li-ion
3.7V 3000mAh
↓
~11 Wh
Storage material
Energy type
Specific
energy
(MJ/kg)
Uranium
Nuclear fission
80 620 000
Diesel
Chemical
48.0
TNT
Chemical
4.6
Electrochemical
0.8
Sensormezgls
5V
50 mA (µC)
30 mA (Wireless)
20 mA (Sensor)
↓
0.5 W
0.2
<1 mēnesis ar
vienu bateriju
…
…
Lithium-ion battery
…
Lead-acid battery
Electrochemical
31
31

32.

Topoloģija
Var sazināties ja eksistē kaut
viens maršruts līdz
saņēmējam
Var sazināties tikai caur
centrālmezglu
32
32

33.

Pašorganizācija
Spēj pašorganizēties:
— inicializācijas fāzē,
— tīkla maiņas gadījumā.
33
33

34.

34
34

35.

35
35

36.

Salīdzinājums
LoRaWAN arhitektūra
Sigfox arhitektūra
36
36

37.

Sigfox pārklājums
37
37