מאת: Haim Cohen, Freescale Israel
משפחת מעבדי PowerQUICC II Pro של Freescale התבססה בשוק התקשורת במקום הראשון מבחינת חשיבות ועלות כדאית. מעבדי MPC830x מרחיבים את ההיצע שלהם ליישומים תעשייתיים ברמת הבסיס ומשפרים את יחס הביצועים לעלות, מרחיבים את הפונקציונליות ויעילות הממשקים.
תכונות המוצר
התקני MPC830x, המבוססים על ארכיטקטורת PowerQUICC, מציעים תוספות של אינטגרציה ויכולות עיבוד תוכן, בעלות נמוכה.
ליבת e300
ליבת e300 היא מימוש להספק נמוך של משפחת מעבדי המיקרו במחשוב עם קבוצת פקודות מוקטנת (RISC). הליבה מממשת את חלק 32 הסיביות בקבוצת הפקודות, אשר מגדיר מרחב כתובות ב-32 סיביות, נתוני מספרים שלמים ב-8, 16, ו-32 סיביות ונתוני נקודה צפה ב-32 וב-64 סיביות. ליבת סופר סקאלאר זו מפיקה שלוש פקודות במחזור אות שעון ואפשר לבצען מחוץ לסדר התוכנית לקבלת ביצועים משופרים.
ליבת e300 משלבת יחידות ביצוע עצמאיות: יחידת מספרים שלמים (IU), יחידת נקודה צפה (FPU), יחידת עיבוד הסתעפויות (BPU), יחידת טעינה ואחסון (LSU) ויחידת אוגרי מערכת (SRU). בליבת e300c3 משולבת יחידת מספרים שלמים נוספת. העיבוד המקבילי והפקודות הפשוטות עם זמני ביצוע מהירים, מניבים יעילות ותפוקה גבוהה. רוב הפקודות במספרים שלמים מתבצעות במחזור אות שעון אחד וליבת e300c מאפשרת ביצוע מכפלה והעברה לצובר (accumulator) במחזור יחיד. יחידת FPU פועלת בצנרת (pipeline) כך שפקודת כפל-חיבור בדיוק יחיד מתבצעת בשלמותה במחזור יחיד של אות שעון. הליבה מספקת תמיכה בחומרה לכל הפעולות בנקודה צפה בדיוק יחיד ובדיוק כפול ברוב הצגות הערך ובכל מצבי העיגול.
e300c3 מכילה זיכרונות מטמון בגודל 16 קילו-ביית לפקודות ולנתונים. יחידות MMU מכילות מאגרי זיכרון DTLB ו-ITLB ל-64 כניסות, אשר מספקים תמיכה לתרגום כתובות בזיכרון וירטואלי בדפים ולתרגום בלוקים בגודל משתנה. המאגרים משתמשים באלגורית החלפה LRU וזיכרונות המטמון משתמשים באלגוריתם PLRU.
איור 1: . תרשים בלוקים של MPC8309
איור 2:. תרשים בלוקים של ליבת e3003.
איור 3:. תרשים בלוקים של מנוע QUICC
מנוע QUICC
במשפחת MPC830x משולב מעבד תקשורת ניתן לתכנות שעד עתה אינו נמצא בהתקנים אלו שנמצאים בשוק – מנוע QUICC מהדור הבא – שמציע שיפורים תוך כדי שמירה על תאימות. בקר התקשורת תומך כיום בפרוטוקולים הבאים:
Ethernet/ תקן 802® שלIEEE ב-10/100 מגה-סיביות בשנייה תקן 1588TM שלIEEE HDLC/ רשת “שקופה” (Transparent) אפיק HDLC חיבור HDLC אסינכרוני ממשק TDM UART PROFIBUS BISYNC הקצאת זמנים וממשק טורי לשני מרבבי TDM פונקציונליות של ניהול רשת Ethernet
באיור 3 ניתן לראות את הארכיטקטורה הפנימית והממשקים של מודול QUICC. זיכרון RAM משותף למשתמשים, משמש לשמירת פרמטרי מנוע RISC בעל זיכרון RAM לפקודות שנטען בעותק של קוד מיקרו. אפשר להשתמש בזיכרון זה להפעלת קוד נוסף.
איור 4: תרשים בלוקים של מנוע QUICC
איור 5:רשת אוטומציה אופיינית במפעל
חיבורים תעשייתיים
MPC830x תומך בממשקים שימושיים ליישומים תעשייתיים ולאוטומציית מפעלים. תמיכה זו כוללת בקר זיכרון SDRAM מסוג DDR2, שני מקמ”שי DUART, וממשקי GPIO. הבקר MPC8306 מספק בנוסף לכך גם פרוטוקול 1588v2 של IEEE וארבעה ממשקי FlexCAN, ואילו בבקר MPC8309 נוסף על כל אלו בקר PCI-2.3 ועוד קוד ECC שנוסף לבקר הזיכרון.
בקר DDR
בקר DDR SDRAM שניתן לתכנות, תומך ברוב תקני JEDEC. מצבי ניהול הספק דינמי שנכללים בו מפשטים את תכנון הזיכרון, ותכונות מיוחדות רבות שלו תומכות בניפוי שגיאות מהיר.
מודול FlexCAN
בקר התקשורת FlexCAN מממש את הפרוטוקול לפי מפרט CAN 2.0B וכולל מאגרי זיכרון גמישים של עד 64 הודעות, אוגר FIFO לסינון זיהוי (ID) בהודעות נכנסות, ויש לו זמן השהיה קצר ותאימות לגרסאות מודולים קודמות.
בקרי DUART
מקמ”שי DUART הכלולים תומכים בדופלקס מלא, תואמים למודלים של תכנות – PC16450 ו-PC16550 – והם תומכים באוגרי FIFO של 16 סיביות בשידור ובקליטה. כל מקמ”ש DUART מאפשר פעולה בשני חוטים ואפשר להגדיר את הקונפיגורציה שלו לממשק 4 חוטים.
1588 של IEEE
מימוש פרוטוקול הסנכרון 1588 של IEEE בתמיכת חומרה, מאפשר סנכרון מערכות עם אותות שעון שונים. תמיכת החומרה כוללת יחידת חתימת זמן להכרת מסגרות PTP ולהעברה של חתימות זמן ואות שעון זמן אמת ברזולוציה גבוהה ובדיוק של תת–מיקרו–שנייה.
ממשק PCI
בקר PCI ל-32 סיביות, התואם למפרט האפיק המקומי גרסה 2.3, פועל ב–3.3 וולט, תומך במצבי פעולה שונים, בזרימת נתונים דו-כיוונית ובטרנסאקציות מושהות.
ממשק GPIO
עבור ממשקי GPIO ,MPC8306 תומך בעד 56 פיני כניסות ויציאות מקביליות ו-MPC8309 תומך בעד 64 פיני כניסות ויציאות מקביליות שבהם פינים ייעודיים ופינים מרובבים.
מארזי משפחת MPC830x
התקני משפחת MPC830x מיוצרים בתהליך CMOS ב-90 ננו-מטר. הם משווקים במארזי מערך כדוריות עם שיפור חומני (MAPBGA). פרמטרי המארזים הם:
מבנה המארז 19 מ”מ x 19 מ”מ
סוג המארז MAPBGA
חיבורים (8306/S) 369
חיבורים (8309) 489
מרחק חיבורים (פסיעה) 0.80 מ”מ
גובה מודול (אופייני) 1.48 מ”מ (1.3–1.61 מ”מ)
כדוריות הלחמה 96 Sn/35 AG/0.5 CU (מארז VM)
קוטר כדורית (אופייני) 0.4 מ”מ
יחס משופר של מחיר לביצועים עם תאימות בתכונות
משפחת MPC830x מספקת נתיב הגירה מצוין ממשפחות PowerQUCC I/II. אפשר לראות באיור 4 ש-MPC8306 ו- MPC8309 תואמים בתכונותיהם למוצרי PowerQUICC הוותיקים עם מאפיינים משופרים של מחיר לעומת ביצועים. התאימות מאפשרת מחזור השקעות בתוכנה עם תמיכה של שותפי צד שלישי ומפתחים.
פתרונות רישות ובקרה תעשייתיים בהתבסס על PowerQICC
השליטה של רשתות Ethernet בשוקי הרשתות הובילה להוספה של מנגנוני תקנים משופרים שהעניקו לרשתות תכונות שדרושות לפעולה בסביבות תפעוליות והן חשובות לבטיחות. רשתות במפעלים ומערכות אוטומציה בבניינים משתמשות ברשתות Ethernet כהשלמה לטכנולוגיות אפיק קיימות וכתחליף להן.
פתרונות תעשייתיים בשבב יחיד
ברשתות מפעלים או בבניינים יש כמה תחומים שונים, לכל אחד מהם מגבלות תזמון ובטיחות. אלו קיימים בטווח שבין ניהול והפעלה עם ציוד IT ברשתות Ethernet המסורתיות ועד תחומי הבקרה והשטח עם קישוריות המספקת בטיחות, פיקוח, תהליכים ובקרה לוגית על ציוד. תחומים אלו מתאימים למעבדי התקשורת של Freescale בשילוב טכנולוגיית ליבה עם חיבורים פנימיים מגוונים ואפשרויות עיבוד פרוטוקולים ברמות הבסיס, אשר מספק את הגמישות הנחוצה לתמיכה במגוון רחב של צומתי עיבוד תעשייתי.
אפשר להשתמש בהתקני MPC830x במגוון של יישומי צמתים תעשייתיים, לרבות היישומים הבאים:
בקרים מתוכנתים
בקרי אוטומציית תהליכים
כניסות ויציאות חכמות
מסופי ממשקים למפעילים
התקני דחיפה
מערכות ברקוד וזיהוי (ID)
שערים, מגשרים ורכזות
המשמעות של רמת האינטגרציה הפונקציונלית של התקני MPC830x ושל הרמה שבה הם ניתנים לתכנות, היא שאפשר לממש את פרוטוקולי התקשורת ופונקציות שכבת היישומים בשבב יחיד. היתרונות של משתמש הקצה הנובעים מכך:
תקשורת Fieldbus ו-Ethernet בשבב יחיד
היע”מ (CPU) המשולב מספק גמישות ויכולת שדרוג
כמות הרכיבים קטנה עם תוספת ביצועים
אפשרות לתכנות המקטינה עלויות תחזוקה
אפשרות להתפתחות יישומים ופרוטוקולי תקשורת עתידיים
אספקה לשנים ארוכות
איור 6: רשת אוטומציה אופיינית במפעל
איור 7: . טופולוגיית כוכב
איור 8: טופולוגיית שרשרת Daisy
איור 9: . טופולוגיית טבעת
שימושים ויישומים
את רוב היישומים אפשר לממש באחת הטופולוגיות מאלו המופיעות בסעיפים הבאים או בשילוב שלהן.
טופולוגיות
במשפחת MPC830x קיימים מעבדים ניתנים לתכנות, שיכולים לטפל במצבי שולט/ נשלט (master/ slave). התרשימים הבאים מציגים חיבורי שולט/ נשלט ואפשרויות חיבור לרמות גבוהות יותר.
טופולוגיית קו/ אפיק
בטופולוגיות אלו כל חיבורי האותות משותפים לכל הצמתים. הפרוטוקולים הנתמכים הם SPI, I2C, CAN, RS485, TDM, PCI ו-Ethernet.
טופולגיית כוכב
כאן לכל אחד מהצמתים (חיבורי נשלטים) יש חיבור מנקודה לנקודה אל הצומת המרכזית (חיבור השולט). השולט מנתב נתונים לפי הצורך. בנוסף לפרוטוקולים המוזכרים בסעיף 3.1.1 נתמכים הפרוטוקולים RS232, USB ו- GPIO פשוט.
טופולוגיית שרשרת Daisy
שים לב שבטופולוגיה זו כל הצמתים שווים, מלבד האחרון שחייב לזהות שחלק מהנתונים שמגיעים אליו אינם מיועדים אליו. MPC8306 ו-MPC8309 יכולים להיות צומת עם כל אחד מהפרוטוקולים המפורטים בסעיפים הקודמים.
טופולוגיית טבעת
טופולוגיה זו היא הרחבה של שרשרת Daisy ובה צומת הקצה סוגר את נתיב הנתונים ויוצר טבעת. בעזרת תוכנה יכולים MPC8306 ו-MPC8309 להשתמש בכל פרוטוקול מאלו המצוינים בסעיף טופולוגיית שרשרת Daisy.
גישור פרוטוקולים
מאחר ש-MPC8306 ו-MPC8309 יכולים לממש פרוטוקולים ולבצע פונקציונליות שולט ונשלט, הם יכולים גם לספק פונקציות גישור של פרוטוקולים דומים ושל פרוטוקולים שונים. למשל, גישור פרוטוקולים דומים יהיה בין PROFIBUS ל–PROFINET, כאשר ההבדל ביניהם בא לידי ביטוי בקישוריות הפיסית. דוגמה לגישור פרוטוקולים שונים יכולה להיות כאשר פרוטוקול CAN מועבר ל- PROFINET. במקרה זה ההמרה תדרוש סיום מלא של כל פרוטוקול לנקודה שבה אפשר לבצע מיפוי משותף של פונקציות (למשל ברמה המפושטת של אובייקטים חכמים).
מודול גנרי
הגמישות הרבה של MPC8306 ו-MPC8309 מאפשרת לממש בלוקים מודולריים בסיסיים מעטים לכיסוי מספר גדול של יישומים. דוגמה לבלוק כזה מוצגת באיור 10 ובאיור 11 עבור MPC8306 ועבור MPC8309 בהתאמה. שים לב ש באיור 10, אין תמיכה בריבוב TDM, פרוטוקול 1588 של IEEE מספק את אות השעון והזמן וקיימים שני ממשקי Ethernet בלבד. באיור 12 ובאיור 13, תומכת בריבוב TDM. לקבלת כל הצירופים האפשריים, עיין במדריך המתאים.
איור 10: בלוק הבסיס המודולרי של MPC8309 בקונפיגורציה 1
איור 11: בלוק הבסיס המודולרי של MPC8306 בקונפיגורציה 1
איור 12: בלוק הבסיס המודולרי של MPC8309 בקונפיגורציה 2
איור 13: בלוק הבסיס המודולרי של MPC8306 בקונפיגורציה 2
סיומת מקומית
אפשר לחבר את MPC8306 ואת MPC8309 דרך ממשקים פשוטים כמו SPI, I2C, RS232 ואפילו GPIO לסדרה של פונקציות קצה.
דוגמאות יישומיות
הדוגמאות הבאות משתמשות במודולים שצוינו לעיל, בעלי הפונקציות המשותפות הבאות:
USB חיבור מקומי לצורך קונפיגורציה, אבחון, ואחזור מדידות מרחוקRS232/ UART חיבור port לניפוי שגיאות או לחיבור התקן היקפי פשוט מתגי HEX קונפיגורציה (לדוגמה, כתובת, פונקציה).
אם משתמשים בקונפיגורציה 2 (איור 12 ובאיור 13) אפשר לחבר מקודד/מפענח קידוד (codec) אל יוצר המסגרות (framer) כדי ליצור חיבור טלפון שיאפשר שימוש בקול דרך פרוטוקול אינטרנט (VoIP) לשימוש כטלפון חירום.
בנוסף, אם משתמשים ב–MPC8309, אפשר לחבר את ממשק PCI להתקן גרפיקה זול ליצירת ממשק אדם–מכונה (HMI). כך מתאפשר למפעיל לקבל שליטה מקומית.
מסקנות
התקני MPC8306 ו-MPC8309 במשפחת PowerQUICC II Pro מציעים פונקציות של ריבוי פרוטוקולים ורישות בשילוב עם ליבת יע”מ מותאמת באופטימיזציה למחיר בהשוואה לביצועים, והם מתבססים על טכנולוגיית Power Architecture ועל קבוצה גדולה של התקנים היקפיים.
השימוש בהתקנים אלו בבקרה תעשייתית, ברשתות של מפעלים ובמערכות אוטומציה של בניינים מאפשר פתרון בשבב יחיד שניתן לשדרוג ובעל התכונות הבאות:
1. עלות סבירה – בהתחשב בכמות הרכיבים המוקטנת
2. הקטנת עלויות התחזוקה – בזכות היותו ניתן לתכנות באופן מלא
3. הגנה על ההשקעה בחומרה ובתוכנה בפרקי זמן ארוכים – בזכות העובדה שתפישת הפלטפורמה שלו בונה על התפתחות עתידית של יישומים ופרוטוקולי תקשורת.
