Мікроконтролери зі стековою архітектурою

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.18372/2073-4751.74.17885

Ключові слова:

FPGA, процесор, система команд, стекова архітектура, VHDL

Анотація

Для впровадження систем Інтернету речей, спеціалізованих систем на базі програмовних логічних інтегральних схем (ПЛІС) невеликого об’єму необхідна розробка ядер мікроконтролерів, які мають як невеликі апаратні витрати, так і мінімізовану довжину скомпільованого програмного коду, який виконується з необхідною продуктивністю.

Основне завдання дослідження полягає в розробці ефективної архітектури ядра мікроконтролера, яке конфігурується у ПЛІС невеликого об’єму.

У результаті дослідження встановлено, що таке ядро повинно мати стекову архітектуру. Така архітектура має мінімізовані як розмір зкомпільованого програмного коду, так і апаратні витрати. Крім того, в такій архітектурі швидко виконуються програми з великою кількістю умовних переходів, викликів підпрограм і частими перериваннями.

Запропоновано восьми- та шістнадцятирозрядні ядра мікроконтролерів з назвами SM8 та SM16, відповідно, які мають стекову архітектуру. До цієї архітектури додаються спеціалізовані команди користувача, які налаштовані на пришвидшення виконання алгоритму, що програмується. Так, є можливість додавати до ядра SM8 до десятків команд користувача, які виконуються за підпрограмами. За однією командою ядра SM16 виконується обчислення хеш-функції ключових слів зі швидкістю два такти на символ. Ядра відрізняються невеликими апаратними витратами і конфігуруються у ПЛІС різних серій та виробників. Зокрема, ядро SM16 має у 1.7 разів менші апаратні витрати та у 2.7 разів вищу продуктивність ніж ядро з архітектурою MSP430.

Посилання

Meyer-Baese U. Embedded Microprocessor System Design using FPGAs. Springer, 2021. 509 p.

Chapman K. PicoBlaze for Spartan-6, Virtex-6, and 7-Series (KCPSM6). Xilinx, Inc., 2012. 118 p.

Processor Design. System-on-Chip Computing for ASICs and FPGAs. Nurmi, J. (ed.) Springer, 2007. 525 p.

Meyer-Baese U. Digital Signal Processing with Field Programmable Gate Arrays, 4th Ed. Springer, 2005. 930 p.

Hennessy J.L., Patterson D.A. Computer Organization and Design. The Hardware Software Interface. 2nd Ed. Elsevier Inc., 2021. 1131 p.

Koopman P. Stack computers: the new wave. Ellis Horwood, Mountain View Press, CA,1989. 234 p.

Leong P.H.W., Tsang P.K., Lee T.K. A FPGA Based Forth Microprocessor. Proceedings. IEEE Symposium on FPGAs for Custom Computing Machines / Napa Valley, CA, USA, 1998. P. 254–255.

Paysan B. b16-small – Less is More. EuroForth 2004 Proceedings / Saarland, Germany, 2004. 8 p.

Bowman J., Garage W. J1: a small Forth CPU Core for FPGAs. EuroForth 2010 proceedings / Hamburg, Germany, 2010. 4 p.

Maslennikov O., Shevtshenko J., Sergyienko A. Configurable microcontroller array. Proceedings. International Conference on Parallel Computing in Electrical Engineering / Warsaw, Poland, 2003. P. 47–49.

Sergiyenko A., Molchanov O., Orlova M. Software/Hardware Co-design of the Microprocessor for the Serial Port Communications. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. V. 938. P. 238–246.

Sergiyenko A., Molchanov O., Orlova M. Microcontroller for the Logic Tasks. Information, Computing and Intelligent Systems. 2021. No. 2. P. 1–9.

Girard O. OpenMSP430. OpenCores, Rev. 1.13. 2013.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-06-30

Номер

Том 2 № 74 (2023)

Розділ

Статті

Ліцензія

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

  2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.

  3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).