(или прощание с фотопленкой)

Олег Татарников

Генеалогическое древо

Высокие технологии

Процессоры для цифровых камер

    32-разрядные RISC-процессоры Fujitu

    Достоинства SPARClite

    Соответствие SPARC-стандартам

    Расширения, необходимые для внедрения в заказные конфигурации

    ASIC-совместимость

    Средства разработки

    Будущий потенциал SPARKlite

    RISC-семейство FR компании Fujitsu

    Новые VLIW-процессоры для электронных приборов потребительского уровня

    Архитектура FR500

    Реализация FR500

Чипсеты

    Sierra Imaging

    Чипсет Sierra Imaging Raptor

    Чипсет Sierra Imaging Raptor II

Сенсоры

Заключение

    Глоссарий

Цифровая фотокамера не является просто цифровым эквивалентом пленочной — она может выполнять и другие функции, которых от пленочной камеры даже нельзя было ожидать. Вы берете в руки то, что по-прежнему называется камерой, но на самом деле это больше похоже на медиа-коллектор или мультимедийный носитель информации. Вы можете брать этот аппарат с собой, чтобы фотографировать, записывать звук, движущиеся объекты, мысли наконец, и всевозможные другие вещи, которые лежат далеко за пределами обычных неподвижных изображений. И параллельно этому идет процесс, в результате которого в конце концов можно получать фотографии, по качеству не уступающие, а может быть, и превосходящие те, что получены с пленки.

Сейчас существует два различных течения: с одной стороны, есть люди, которых больше заботит качество снимков, а с другой, существуют и такие, которым нужен, если хотите, мультимедийный инструмент, то есть те, кто интересуется теми самыми «другими» вещами.

Впрочем, в конце концов эти два течения сольются в одно и классическая пленочная фотография попросту исчезнет...

В процессе подготовки этого номера я был немало удивлен тому, как быстро появляются все новые и новые модели электронных цифровых устройств, сменяя друг друга в какой-то калейдоскопической гонке. И в первую очередь это относится к цифровой фотографии, динамика развития которой идет сейчас со значительным опережением других направлений.

Действительно, за прошедшие десять лет мировая электронная промышленность не изменила трем своим главным целям при проектировании любого нового изделия: значительное улучшение эффективности новинки при уменьшении ее стоимости и снижении потребляемой мощности. Однако движение к этим целям идет все быстрее и быстрее, а полные циклы разработки изделия от идеи до ее реализации в кремнии составляют уже не годы и даже не месяцы, а считанные недели. Все это стало возможным лишь благодаря применению новейших технологий по разработке и производству заказных интегральных микросхем ASIC (Application Specific Integrated Circuits) и ASSP (Application Specific Standard Products) для систем связи и коммуникации, промышленной, бытовой и автомобильной электроники.

Возможности систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяют использовать различные формы представления проекта заказчика, включая описания на языке высокого уровня (VHDL, Verilog, Viewlogic) и после проведения анализа проекта определение технологии проектирования, конкретного варианта реализации и даже дизайна изделия. Все, что необходимо для воплощения современного проекта в жизнь, — это компьютер, специальное программное обеспечение и программатор. В действительности продукты могут становиться все более сложными, однако запрос рынка в области той же бытовой электроники или цифровой фотографии определяется различиями в получаемой выгоде от приобретения новинки, и главная задача производителя состоит в том, чтобы как можно быстрее выставить конкурентоспособное изделие на продажу.

Для нынешних цифровых камер особое значение имеет баланс качества снимков, предоставляемых возможностей и цены, который и должен в конечном счете склонить пользователей к приобретению именно цифровой, а не традиционной пленочной камеры. Вы можете потратить на приобретение фотоаппарата больше или меньше денег, однако целесообразность покупки в конце концов будет определяться не тем, насколько она хороша, а тем, насколько полно она будет удовлетворять ваши потребности. Поэтому мы советуем вам обратиться именно к среднему ценовому диапазону и не максимизировать свои потребности, а минимизировать разочарования.

Впрочем, в действительности цифровая камера не так уж и дорога, если учесть сэкономленное вами время и вспомнить, что расходы по ее обслуживанию, в отличие от пленочной, можно свести практически к нулю: память цифровой камеры можно использовать многократно, аккумуляторы перезаряжать, а снимки не выводить на бумагу, а хранить только в электронном виде.

Ведь используя цифровую камеру даже в таком, немного нетрадиционном варианте, вы получите такие возможности, которые привычным пленочным аппаратам даже не снились.

Приглядитесь повнимательнее к цифровой камере, а еще лучше вскройте и посмотрите, что у нее внутри (см.врезку), и вы убедитесь, что она не более фотоаппарат, чем компьютер — печатная машинка. Даже тот фотографический потенциал, который таит в себе банальная цифровая «мыльница», может существенно превышать возможности серьезных пленочных аппаратов. Судите сами — размер даже малоформатного кадра на пленке 24-36 мм существенно превышает размер ПЗС-матриц, а чем больше размер изображения, тем сложнее разработать для него неискажающий объектив достаточной светосилы. Например, большинство ПЗС-матриц любительских цифровых фотоаппаратов имеет диагональ 1/3 дюйма, или 8,5 мм. Следовательно, «нормальным» (то есть эквивалентным 50-миллиметровому объективу пленочных 35-миллиметровых фотоаппаратов) для такой матрицы будет объектив с фокусным расстоянием всего лишь 9 мм. Чтобы такой объектив имел относительное отверстие, например F/2, диаметр линзы должен быть соответственно 9/2=4,5 мм, а у 35-миллиметровой фотокамеры — 25 мм. Поэтому, например, для реализации значительного перепада фокусного расстояния у обычной камеры 35 мм приходится делать сложную оптическую систему с большими и дорогими линзами, а для цифровых камер можно использовать «стандартный» объектив с диаметром 2-4 см и получить аж 20-кратный Zoom. Чувствуете разницу? А при макросъемке на маленькой матрице с тем же объективом можно получить недостижимую для пленочной фотографии глубину резкости.

Однако кроме всего этого цифровые камеры имеют и еще целый ряд возможностей, более характерных для компьютеров, нежели для фотоаппаратов.

Задумайтесь, ведь помимо оптической системы они еще имеют:

• достаточно мощный управляющий процессор, чтобы производить, кроме всего прочего, сложный анализ экспозиции и в ничтожные доли секунды принимать решение о режиме съемки, после чего еще и обрабатывать полученное изображение;
• быструю шину данных, позволяющую стремительно сокращать время готовности к приему следующего кадра (в этом смысле цифровые фотоаппараты уже догнали, например, видеокамеры и продолжают «сливаться» с ними);
• оперативную память («впаянную», как на старых компьютерах, или более прогрессивную, внешнюю, на сменных флэш-картах);
• винчестер, если хотите, как, например, IBM Microdrive в стандарте CompactFlash Type II, или стандартное ATA-устройство, или даже флоппи-дисковод, или SCSI-привод;
• операционную систему, наконец, с разветвленным интерфейсом, графическим меню и возможностью написания собственных программ съемки и обработки изображения, как, например, OC Digita, разработанная фирмой FlashPoint для некоторых моделей Eastman Kodak и Minolta; l «звуковую карту», микрофон и даже динамик для записи речевых комментариев в процессе съемки и последующего прослушивания их при воспроизведении;
• внешний интерфейс по быстрым USB-, FireWire- или SCSI-шинам, наряду с уже ставшими банальными и устаревшими последовательными (RS-232) и параллельными портами (для непосредственной печати на принтерах);
• некоторые современные камеры имеют помимо того еще и инфракрасный порт или даже сетевой интерфейс (Ethernet 10/100);
• и я уж не говорю обо всяких кнопках-джойстиках, в том числе и с легко узнаваемыми названиями «SHIFT», «EXE» и «CONTROL» (как у моделей FujiFilm).

В общем, цифровая камера — это настоящий мультимедийный компьютер, в котором есть где попробовать свои силы и серьезному программисту, и любителю. И в области этих компьютеров уже есть свои Биллы Гейтсы и Филлипы Канны, свои Intel'ы и Microsoft'ы.

 

Генеалогическое древо

Настоящий перелом в цифровой фотографии наступил в августе 1997 года, когда корпорации Fujitsu Microelectronics (FMI) и Sierra Imaging подписали соглашение о совместных разработках в области производства схемотехники для обработки цифровых изображений. По этому соглашению Fujitsu предоставила свое семейство RISC-процессоров, а Sierra Imaging предложила разрабатывать всю «обвязку» — чипсет («материнскую плату»), то есть объединить все необходимые контроллеры, а также средства разработки и предоставить свое программное обеспечение (Image Expert). Кроме того, Sierra Imaging взяла на себя обязанности по сбыту, распространению и поддержке полученного технического решения.

Совместное соглашение привело к созданию полного аппаратно-программного комплекса для проектирования и реализации цифровых камер. В результате рынок цифровых камер каждый год удваивался и к концу века превысил 10 миллионов аппаратов в год.

На тот момент только Sierra Imaging (http://www.sierraimaging.com/) предлагала заказчикам единое решение со всеми необходимыми электронными компонентами для создания цифровых камер и продолжает лидировать в этой области до сих пор.

А Fujitsu Microelectronics (http://www.fujitsumicro.com/), помимо прочего, является ведущей компанией в области разработки и производства высокоэффективных заказных интегральных микросхем по технологии ASIC (Application Specific Integrated Circuits) и ASSP (Application Specific Standard Products) для систем связи, коммуникаций, бытовой, промышленной, мультимедийной и автомобильной электроники.

Чуть позже, в октябре 1997 года, компания Fujitsu запатентовала микропроцессорное ядро ARC и ASRP-архитектуру английской корпорации Argonaut RISC Cores (позже переименованную в ARC Cores, Inc.) и внедрила новые технологии в свои ASIC-продукты.

ASRP-архитектура фирмы ARC Cores — это технологически законченная среда, которая предлагает настраивать процессор с изменением системы команд под специфические приложения. Она включает микропроцессор ARC, интерфейс ASRP, среду программирования ASDE (Advanced Software Development Environment) и легкую в использовании среду реализации IE (Implementation Environment). Настраиваемое микропроцессорное ядро ARC оптимизировано по размеру, быстродействию и используемой памяти. Благодаря высокой эффективности ARC-процессора и способности использовать только те команды, которые требуются для каждого конкретного приложения, его можно значительно уменьшить на этапе проектирования. Это означает, что реализованные ASRP-проекты будут на 30-50% меньшее, чем конкурирующие изделия. Например, Fujitsu CE61, сделанный по технологии 0,35 мкм, включает ARC-ядро и, работая на частоте 100 МГц, имеет производительность 95 MIPS (миллионов операций в секунду), а размеры кристалла при этом — всего 1,5 мм.

ASRP-архитектура поддерживает заказные конфигурации и позволяет разработчикам добавлять новые команды в ядро для достижения максимальной эффективности приложения. Инженеры-программисты установили, что только 10-20% их программного обеспечения — эффективный код, а с ASRP-архитектурой они могут добавлять заказные команды, которые будут устранять или уменьшать критичные участки и, таким образом, значительно улучшать производительность системы.

Чтобы проверять и отлаживать заказные наборы команд, фирма Argonaut создала аппаратную систему макетирования, которая позволяет инженерам выполнять исследования типа «что будет, если...» и анализировать основные изменения, отлаживая программное обеспечение в реальном времени.

Уникальность методики построения проекта с использованием настраиваемых ядер ARC заключается именно в мощном инструментарии для оптимизации проекта под конкретное приложение.

После объявления соглашения с Argonaut Fujitsu использовала программируемое 32-разрядное RISC/DSP-ядро ARC-процессора для интеграции со своими макробиблиотеками ASIC.

Предварительно разработанные и проверенные функциональные библиотечные ARC-команды могут изменяться, синтезируясь и перепрограммируясь с использованием интегрированной аппаратной системы разработки, объединенной с мощным программным комплектом инструментальных средств, созданным известным разработчиком оптимизирующих компиляторов — фирмой MetaWare (High C Development Environment). Инструментальные средства MetaWare имеют высокое профессиональное качество и известны своей устойчивостью к ошибкам и высоким уровнем оптимизации. Таким образом, модификация и проверка аппаратных средств может быть выполнена в кратчайшие сроки и с максимальной эффективностью.

Фирма MetaWare разрабатывала и совершенствовала свое программное обеспечение и средства разработки в течение более чем 20 лет и до сих пор производит инструментарий для целого ряда платформ, включая ARC, ARM, PowerPC и X86. А с сентября 1999 года фирма MetaWare полностью перешла в собственность ARC Cores и стала ее подразделением.

Итак, с конца 1997 года заказные ASIC-процессоры Fujitsu получили ARC-ядро и средства разработки от MetaWare и достигли частоты 50 МГц при напряжении ядра в 2 В и до 100 МГц при напряжении на ядре 3,3 В.

Эта передовая технология теперь используется в большинстве процессоров Fujitsu и хорошо подходит для потребностей компании, устанавливающей программируемое ядро при производстве спецпроцессоров для нужд телекоммуникаций, графики, связи и в других областях, среди которых на рынке мультимедиа активно продвигаются и описываемые нами цифровые фото- и видеокамеры.

Таким образом, для того чтобы понять, как функционируют цифровые камеры и что от них можно ожидать в будущем, необходимо обратиться к вышеперечисленным фирмам и рассмотреть их продукцию, последние достижения и планы на будущее.

 

Высокие технологии

ARC Cores

ARC — это высокоэффективное RISC/DSP-ядро процессора с перестраиваемой конфигурацией, интегрируемое внутрь всех изделий Fujitsu серии FR (Fujitsu RISC), выполненных по ASIC-технологии. ARC имеет гибкую архитектуру и обеспечивает производительность до 175 VAX MIPS по тесту Dhrystone 2.1 при ASIC-технологии 0,25 мкм и до 140 VAX MIPS при ASIC-технологии 0,35 мкм (то есть их производительность сравнима по этим тестам с производительностью процессоров семейства Pentium II).

Но главной особенностью микропроцессорного ядра ARC является его способность к синтезу по заказному проекту, что обеспечивает встраивание RTL VHDL-кода, удовлетворяющего требованиям заказчика. При этом можно добавлять новые команды, регистры и периферийные устройства, чтобы оснастить ядро специфическими устройствами для конкретного приложения (например, для реализации функциональных возможностей DSP подключается библиотека общих расширений).

Для разработчиков систем на базе ASIC-технологий поставляется полный программный комплект инструментальных средств от компании MetaWare: High C++/C-транслятор, ассемблер, компоновщик, отладчик и все необходимые утилиты.

Для аппаратной отладки ASIC-устройства предоставляется тестовая плата фирмы Fujitsu. Данная FPGA-плата позволяет макетировать заказные конфигурации ARC-архитектуры в программируемой логике, и все заложенные в устройство концепции могут быть проверены и оттестированы еще до реализации проекта в кремнии.

Кроме того, фирма ARC Cores обеспечивает разработчиков полным набором программ для отладки и тестирования и интерактивными инструментальными средствами для проектирования, которые дают возможность инженерам — аппаратчикам и программистам работать вместе, что намного более производительно. Поскольку каждое внедрение ARC-ядра может быть выполнено для сугубо специфического приложения, финальные решения в смысле потребляемой мощности, эффективности и размера могут различаться — все зависит только от требований разработчика.

ARChitect — легкий в использовании инструмент для проектирования системы, который дает возможность пользователям оптимально сконфигурировать и настроить архитектуру ARC, а затем оптимизировать ее под конкретное использование и гладко интегрировать в систему, значительно уменьшая время разработки и реализации.

Ядро ARC, например, широко внедрялось в последние ASIC-проекты Fujitsu Microelectronics и работало там довольно эффективно. Кроме того, реализованные интерфейсы к ARC-ядру очень гибки, что позволяет оптимально связывать его со всей остальной частью ASIC-проекта без непроизводительных кремниевых затрат с избавлением от узких мест на этапе проектирования. ARC-ядро разрабатывается на языке VHDL в соответствии с самыми последними достижениями ASIC-технологий, а поскольку исходный RTL-текст поставляется заказчику, ядро может быть легко интегрировано в любой ASIC-проект для моделирования и синтеза.

И опять же, поскольку ARC-ядро реализовано по ASIC-технологиям, диапазон периферийных устройств, подключаемых к конечному изделию на его базе, может быть фактически неограничен. Из относительно простых функций можно перечислить UART и таймеры, SDRAM-память, PCI-шину, USB и даже новые сетевые интерфейсы Utopia, применяемые в сложных интегрированных проектах смешанного (аналого-цифрового) типа.

Вообще, ARC-ядра могут быть cконфигурированы для трех типичных приложений (однокристальных систем): 1) высокоэффективного спецпроцессора (потребность в которых обычно и удовлетворяют ASIC-технологии); 2) контроллера с широкой полосой пропускания (потребность, обычно обслуживаемая DSP-процессорами); 3) и, наконец, системного контроллера или центрального процессора.

ARC-ядра применяются в цифровой электронике все шире, поскольку это по сути одна из немногих архитектур, которая позволяет ASIC-проектировщикам интерактивно и в кратчайшие сроки конфигурировать и расширять возможности своих устройств и предоставляет им ряд преимуществ над стандартными подходами.

ARC — это мощная и одновременно гибкая архитектура процессорного ядра, которая обеспечивает быстрое решение при создании проекта электронной «начинки» для любых цифровых электронных устройств. Конфигурация ядра выполняется Мастером ARC Wizard, который имеет графический пользовательский интерфейс и позволяет формировать собственную конфигурацию процессора в непосредственном общении. Проектировщик системы указывает соответствующие параметры для конфигурации системы, технологию, размер кэша, команды расширения и объем памяти, а Мастер затем сам автоматически генерирует HDL-описание полной ARC-системы, обеспечиваемой сценариями синтеза, и после проверки формирует файл для производства.

Так как этот процесс полностью управляем с помощью системы меню, обычно требуется всего лишь несколько часов, чтобы разработать полный DSP-процессор, например, для сотового телефона или другого устройства, реализуемого по этим технологиям. Главное преимущество такого подхода — это то, что он позволяет проектировщикам системы получать изделия для продажи спустя считанные недели, а не месяцы, как раньше, при стандартном проектировании DSP/CPU-систем.

Гибкая методика встраивания ARC-ядер в матрицы компании Fujitsu уже показала превосходные результаты и позволила создать большое количество специализированных IP-устройств, в том числе и ЦАП/АЦП (цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей), и так называемых устройств System-on-chip (то есть «систем на одной микросхеме», или по сути однокристальных компьютеров с процессором, памятью и всей необходимой периферией, которые и используются помимо прочего в тех же цифровых фотоаппаратах и видеокамерах).

 

Процессоры для цифровых камер

32-разрядные RISC-процессоры Fujitu

В течение последних лет компания Fujitsu Microelectronics предлагала для разработчиков цифровой электроники три 32-разрядные процессорные архитектуры. Каждая из них имеет собственные специальные свойства, которые удовлетворяют специфическим потребностям заказчиков.

Несмотря на повышенные требования, предъявляемые такими устройствами обработки данных, как цифровые камеры, сети, принтеры, сканеры, игровые приставки и другие мультимедийные устройства, для них разработана высокоэффективная и в то же время недорогая электронная начинка, которая может быть легко адаптирована к любым изменениям назначения и конфигурации.

И если в прошлом аналогичные по сложности функции, а именно: обработку изображений, запись и воспроизведение видео или звука, трехмерный рендеринг и другие столь же сложные задачи могли выполнять только мощные рабочие станции, оснащенные дополнительным оборудованием и превращенные, таким образом, в сложные специализированные комплексы, то теперь с этими задачами справляются специализированные процессоры, изготовленные по тем же ASIC-технологиям.

Причем с такими задачами уже не справляются 8- и 16-разрядные процессоры и требуется 32-разрядная RISC-архитектура, первоначально разработанная для использования в высокопроизводительных рабочих станциях.

Fujitsu SPARClite — это представитель таких RISC-процессоров, удовлетворяющих возросшим требованиям мультимедийных приложений. Причем требования к микропроцессорам, предназначенным для систем контроля и управления, значительно отличаются от тех, что предъявляются к контроллерам и процессорам для рабочих станций и домашних компьютеров, поэтому SPARClite в начале 90-х годов представляли как первый внедряемый 32-разрядный RISC-контроллер для промышленного использования, а затем он стал использоваться не только в средствах автоматизации производства, но и в лазерных принтерах, роботах, устройствах распознавания изображения и другом мультимедийном оборудовании.

Далее, в связи с быстро возрастающей популярностью мультимедийных приложений и появлением изделий персонального использования, возникла необходимость в реализации функций обработки данных высокого уровня, уже не ограниченных строгими рамками систем, использовавшихся в индустрии. Таким требованиям стало удовлетворять обновленное семейство MB86830 процессоров SPARClite, основанное на опробованных технологиях и опыте, накопленном при их применении в промышленных устройствах управления и контроля. А так как цена этих процессоров оставалась чрезвычайно низкой, они смогли успешно конкурировать и на жестком рынке оборудования для персонального использования. Новое семейство контроллеров может обрабатывать и одиночные изображения, и видео, и звук; передавать данные любой природы и решать задачи широкого диапазона мультимедийного оборудования: от лазерных принтеров и цифровых камер до автомобильных управляющих компьютеров.

 

Достоинства SPARClite

Fujitsu стала в свое время первой и практически единственной компанией, предложившей универсальные решения в этой области, основанные на SPARC-архитектуре. А сегодня SPARC-устройства Fujitsu уже широко известны всему миру цифровой электроники.

Таким образом, наибольшую популярность в цифровой фотографии приобрели SPARC-процессоры для электронных устройств, известные как семейство SPARClite. Члены этого семейства разработаны для различных областей применения, имеют разную цену и возможности и предназначены для обеспечения высокой эффективности при работе как с универсальными, так и со специальными приложениями и устройствами. Все процессоры SPARClite -32-разрядные, выполненные в соответствии со спецификациями SPARC-архитектуры и, таким образом, совместимы по двоичному коду со всеми 32-разрядными SPARC-процессорами, применяемыми в рабочих станциях под управлением UNIX.

В этом, кстати, как раз и заключается большое преимущество процессоров SPARClite, так как для разработки систем на их основе уже имеются широкодоступные инструментальные средства и технологии (в том числе и операционные системы реального времени), хорошо зарекомендовавшие себя до этого на универсальных рабочих станциях.

Итак, основные достоинства SPARClite:

• имеют открытую архитектуру в соответствии со SPARC-стандартами;
• хорошо зарекомендовали себя как на рынке промышленных контроллеров, так и на рынке устройств персонального использования;
• обладают высокой эффективностью: популярная модель с частотой 100 МГц достигает тестовой производительности 121 MIPS VAX (это самое высокое соотношение стоимость/эффективность). Для сравнения процессор Pentium 90 МГц имеет 124.4 MIPS VAX, 90 МГц AMD5K86-P90 — 123.2 MIPS VAX, а 120 МГц PowerPC (процессор для Mac PowerPC 604) — 128.4 MIPS VAX;
• поддерживают делитель частоты x1, x2, x3, x4, и, таким образом, процессор может функционировать с высокой скоростью даже в системе с низкоскоростной периферией;
• обеспечивают низкое потребление (10 милливатт на мегагерц) и имеют режим бездействия (Sleep mode), то есть могут функционировать с малым потреблением энергии в режиме ожидания с саморегенерацией памяти и быстро «пробуждаются» под управлением схемы «наблюдения», что позволяет сохранять энергию при питании от батарей;
• в зависимости от модели имеют встроенный кэш от одного до восьми килобайт;
• используют широкий набор инструментальных средств от сторонних разработчиков и поддержку различных операционных систем реального времени (RTOS — real-time operation system);
• базируются на ASIC-ядре, обеспечивая полную поддержку и переход к ASIC-системам;
• и, наконец, имеют низкую стоимость: выполненные по CMOS-технологии 0,35 мкм процессор MB86833-66 МГц стоит 5-6 долл., MB86831-80 МГц — менее 10 долл., а MB86832-100 МГц — менее 15 долл. при оптовых поставках.

Соответствие SPARC-стандартам

SPARClite — это внедряемый 32-разрядный RISC-контроллер, основанный на SPARC-архитектуре, которая была разработана в компании Sun Microsystems для использования в центральных процессорах своих рабочих станций, где SPARC-архитектура доказала свою эффективность. Кроме того, вследствие жесткого управления со стороны некоммерческой организации SPARC International, для всех процессоров, реализованных по SPARC-стандартам, соблюдается строгая совместимость по программному обеспечению прикладного уровня. Конечно, такая же совместимость поддерживается и во всем семействе SPARClite.

А поскольку управление осуществляется некоммерческой организацией и не нужно платить никаких авторских отчислений или других взносов, облегчается разработка продуктов с высокой эффективностью за приемлемую стоимость. SPARClite соответствует спецификации SPARC версии 8 и SPARC-стандартам версии 8E.

 

Расширения, необходимые для внедрения в заказные конфигурации

Все необходимые функции внедряемого контроллера встроены в SPARClite, включая поддержку быстрой памяти (причем DRAM-контроллер поддерживает и такие расширения памяти, как EDO), контроллер прерываний, синхронизацию цепей управления, быстродействующие функции умножения/деления, регистр сдвига, модуль с поразрядным поиском, программируемый сигнальный процессор и схему генерации состояния ожидания.

 

ASIC-совместимость

В случаях неточного выполнения требований, предъявляемых к соответствующему ресурсу устройства, обслуживаемому SPARClite, чип MB86941 или ему подобный, который имеет собственный таймер, последовательный и параллельный интерфейсы, может изменять ядро в соответствии с ASIC-требованиями и принимать, таким образом, требуемую LSI-конфигурацию, которая будет обрабатывать широкий диапазон приложений.

 

Средства разработки

SPARClite имеет возможность работать под управлением целого ряда операционных систем реального времени (RTOS) и использовать для отладки и функционирования различные инструментальные средства и библиотеки, хорошо зарекомендовавшие себя на рабочих станциях. Открытая и устойчивая архитектура надежно работает со всеми соответствующими программами и аппаратурой. Из аппаратной среды для разработки предлагаются эмуляторы и специальные оценочные платы для компьютеров, а также соответствующие среды, которые необходимы при разработке любой LSI-системы:

• Cygnus GNU — бесплатная среда для разработки, предлагаемая в рамках ассоциации FSF (Free Software Foundation). И хотя она более популярна на рабочих станциях и персональных компьютерах, нежели на встраиваемых электронных устройствах, однако и применительно к последним также гарантирует высокую эффективность. Fujitsu рекомендует ее использование, однако предупреждает об отсутствии поддержки со стороны разработчиков и патентной защиты. Впрочем, некоторую (платную) поддержку фирма Cygnus все же обеспечивает.
• Green Hills (GHS, http://www.ghs.com/) — это инструмент, который позволяет оптимизировать программы на языке C на уровне исходных текстов.
• Mentor Graphics Corporation (Microtech Division) — это компания — изготовитель многочисленных инструментальных средств для заказных устройств. Она имеет самый большой опыт и работала еще с процессорами типа Motorola 68000, а за последнее время ею был создан инструментарий и для SPARClite. Кроме интегрированных сред для разработчиков (VRTX) она создает и операционные системы реального времени.
• Microware Tools.
• Wind River Tornado, http://www.wrs.com/.
• и другие трансляторы C и C++, имитаторы, отладчики, мониторы, библиотеки и т.д.
• Операционные системы реального времени:
• eCos (Cygnus GNU) — http://www.cygnus.com/ и FSF — http://www.gnu.ai.mit.edu/.
• PSOS (Inc Integrated Systems).
• OS9/DAVID (Microware).
• JavaOS (Sun Microsystems).
• VxWorks (Wind River) — это эффективная, хорошо расширяемая операционная система реального времени, которая считается промышленным стандартом. Она включает также и Tornade, полностью интегрированную среду разработки с интуитивным интерфейсом. Базовая среда кросс-платформной разработки VxWorks — инструменты GNU (VxWorks accessory).
• REALOS/SP (Fujitsu) — это быстродействующая операционная система, которая соответствует micro ITRON3. 0. Она работает на всех процессорах Fujitsu микроЭВМ — от 8- и 16-разрядных модулей до новейшего FR-семейства и популярных процессоров SPARClite.
• Библиотеки:
• Сетевая библиотека USNET TCP/IP (US Software, http://www.ussw.com) — это набор сетевых утилит, базирующихся на TCP/IP-протоколе и предназначенных для работы в реальном времени.
• Библиотека плавающей точки GOFAST (US Software), в которой используются оригинальные алгоритмы работы с плавающей точкой, обеспечивающие высокое быстродействие. Благодаря эффективному эмулятору плавающей точки GOFAST позволяет управляющему программному обеспечению обходиться без сопроцессора.
• Внутрисхемный эмулятор:
• Yokogawa ICE, http://www.yokogawa.co.jp/Eda/ceeds/ceeds_e.htm — это среда, которая позволяет разработчикам заказных устройств (ASIC) и другого программируемого оборудования моделировать и проверять функции аппаратных средств и систем одновременно или перед производством изделий. Advice/AD320 — это ICE-устройство (Yokogawa Digital, http://www.dcl.co.jp/) с полной спецификацией для SPARClite, позволяющее тестировать и отлаживать для них программное обеспечение.
• Логические анализаторы-дизассемблеры:
• Hewlett-Packard — серии HPO16500.
• Biomation — CLASS4000.
• MB86941 — это специализированное периферийное LSI-устройство для SPARClite со встроенными внешними ресурсами, включая последовательный и параллельный интерфейс, таймер и контроллер прерываний. Оно служит для анализа схем и поиска ошибок в спланированной архитектуре SPARClite. Периферийные ресурсы, содержащиеся в MB86941, могут вызываться макрокомандами ASIC SPARClite.

 

Будущий потенциал SPARClite

Повышение производительности

Требования мультимедийных приложений высокого уровня постоянно растут: так, например, для работы с MPEG-2, который используется в DVD-системах, требуются уже сотни миллионов операций в секунду, чего уже не могут обеспечить старые RISC-контроллеры. В результате приходится применять специализированные (выделенные) ASSP-контроллеры, а на универсальные RISC-процессоры перекладывать задачи более высокого уровня. Однако компания Fujitsu разрабатывает новые высокоэффективные ARC-ядра для SPARClite, использующие суперскалярные технологии, которые смогут поддерживать многомиллионную MIPS-производительность и решать самые сложные современные задачи на более высоком уровне.

Повышение пропускной способности шины данных

Задачи обработки мультимедийных данных, как правило, требуют передачи огромных объемов информации. В результате ограниченное быстродействие шины составляет узкое место системы и не позволяет процессору реализовать свои возможности в полной мере. Чтобы загрузить процессор, шина новых устройств была расширена до 64-разрядов, и теперь производятся модели с повышенной пропускной способностью.

Другие изменения

Для случаев, когда центральный процессор компьютера встречается с трудностями по самостоятельной обработке специализированных данных или же при использовании в таких многофункциональных устройствах, как цифровые камеры, интеграция со SPARClite обеспечивает мощную поддержку мультимедийной обработки посредством встроенного программного обеспечения с такими быстродействующими макрокомандами, как MMA (Multi Media Assist), или с эффективными JPEG-конверторами, или с поддержкой USB-шины. Объединяя SPARClite как ядро с заказной ASIC-периферией, LSI-системы могут быть сконфигурированы как угодно.

 

RISC-семейство FR компании Fujitsu

Архитектура Fujitsu RISC (FR) — это другое семейство 16- и 32-разрядных микропроцессоров, которое характеризуется увеличением производительности (при сохранении низкой стоимости изделия), необходимой для удовлетворения постоянно растущих потребностей в автомобильной промышленности, системах телекоммуникации, а также в области бытовой электроники.

Разрабатываемые параллельно с процессорами семейства SPARClite, FR-процессоры, тем не менее, уже не используют SPARC-технологию и помимо простого роста производительности добавляют целый ряд расширенных функциональных возможностей.

При этом, хотя FR и продолжают считаться RISC-процессорами, они содержат и целый ряд сложных, расширенных команд, которые помогают программировать функции обработки больших массивов данных (одна инструкция — много данных), что бывает необходимо во внедряемых заказных приложениях и мультимедийных устройствах (например: использование команды для сохранения набора регистров в памяти).

Блоки, которые требуют быстрого доступа, связаны с основным FR-ядром системы 32-разрядной шиной (Harvard bus). Это такие модули, как кэш команд, внутренняя память, DMA-контроллер и модуль с поразрядным поиском. Ресурсы, которые требуют простого управления или доступа к регистру состояния — типа UART, таймеров и т.д., подключены по 16-разрядной периферийной шине, известной как R-bus. Мост R-шины к основному FR-ядру выполняет шинный конвертор, подобный тем же, что служат и для внешнего интерфейса. Эта универсальная шина, также называемая User logic bus, используется для доступа ко встроенной на чипе флэш-памяти и к другим внутренним устройствам, которые обычно требуют повышенного быстродействия или большей пропускной способности, чем большинство других внутренних ресурсов.

Внешняя шина дает пользователю возможность обратиться к внешней памяти или другим отображаемым в память устройствам, предоставляя семь независимых областей выборки с полностью перестраиваемой конфигурацией и с перепрограммируемой схемой ввода/вывода на внешних штырьках микросхемы, которые могут управляться индивидуально в терминах области памяти, пропускной способности шины, состояний ожидания или выравнивания.