Blackfin处理器：体系结构、特点及其应用
Blackfin处理器是通过Analog Devices和Intel作为微信号架构（MSA）进行设计、开发和营销的。该处理器的体系结构于2000年12月公布，并在ESC（嵌入式。。。
Blackfin处理器是通过Analog Devices和Intel作为微信号架构（MSA）进行设计、开发和营销的。该处理器的体系结构于2000年12月公布，并于2001年6月在ESC（嵌入式系统会议）上首次演示。这款Blackfin处理器的设计主要是为了满足当前嵌入式音频、视频和通信应用的功率限制和计算需求。本文讨论了Blackfin处理器–体系结构及其应用。
什么是Blackfin处理器？
Blackfin处理器是一个16位或32位微处理器，包括通过16位MAC（乘法-累加）提供的内置定点DSP功能。这些处理器主要是为组合式低功耗处理器架构设计的，该架构可以运行操作系统，同时处理困难的数字任务，如实时H.264视频编码。
该处理器结合了32位RISC和双16位MAC信号处理功能，可轻松使用通用微控制器中的属性。因此，这种处理属性组合使Blackfin处理器在控制处理和信号处理应用中都能取得类似的效果。这种能力极大地简化了硬件和软件设计的实现任务。
Blackfin功能：
- 该处理器具有单指令集架构，包括处理性能，仅满足/优于数字信号处理器或DSP的产品范围，以提供更好的成本、功率和内存效率。
- 这种16或32位体系结构的处理器只允许即将推出的嵌入式应用程序。
单核内的多媒体、信号和控制处理。 - 它提高了开发人员的生产力。
- 它在用于功耗或信号处理的整个动态电源管理过程中具有可调性能。
- 它很快被采用到各种设计中，这些设计只需几个工具链和操作系统的支持。
- 由于强大软件的开发环境与核心性能相结合，它需要最低限度的优化。
- Blackfin处理器支持业界领先的开发工具。
- 该处理器的性能和竞争对手DSP的一半功率允许先进的规格和新的应用。
Blackfin处理器体系结构
Blackfin处理器通过允许灵活性，在单个处理器内提供微控制器单元和数字信号处理的功能。因此，该处理器包括SIMD（单指令多数据）处理器，包括一些功能，如可变长度RISC指令、看门狗定时器、片上PLL、内存管理单元、实时时钟、100Mbps串行端口、UART控制器和SPI端口。
MMU支持多个DMA通道在外围设备和FLASH、SDRAM和SRAM存储器子系统之间传输数据。它还支持数据缓存和可配置的片上指令。Blackfin处理器是一种简单的硬件，支持8、16和32位算术运算。
Blackfin架构主要基于微信号架构，由ADI（Analog Devices）和Intel联合开发，包括32位RISC指令集和带有双16位乘法累加（MAC）单元的8位视频指令集。
模拟设备能够通过Blackfin的指令集架构实现DSP和MCU需求之间的平衡。通常，Blackfin处理器与强大的VisualDSP++软件开发工具相结合，但现在通过使用C或C++，可以比以前更容易地生成高效的代码。对于实时需求，操作系统支持变得至关重要，因此Blackfin支持多种操作系统和内存保护。Blackfin处理器有单核（如BF533、BF535和BF537）和双核（如BF561）两种型号。
Blackfin处理器体系结构包括不同的片上外设，如PPI（并行外设接口）、SPORTS（串行端口）、SPI（串行外设接口），UART（通用异步收发器）、通用定时器、RTC（实时时钟）、看门狗定时器、通用I/O（可编程标志）、控制器局域网（CAN）接口、以太网MAC，外围DMA-12，内存到内存DMA-2，包括握手DMA、TWI（双线接口）控制器、调试或JTAG接口和具有32个中断输入的事件处理器。体系结构中的所有这些外围设备都通过不同的高带宽总线简单地连接到核心。因此，下面将对其中一些外围设备进行描述。
PPI或并行外围接口
Blackfin处理器仅提供PPI，也称为并行外围接口。该接口直接连接到并行模数转换器、数字模拟转换器、视频编码器和解码器，也连接到其他通用外围设备。
该接口包括一个专用输入CLK引脚、三个帧同步引脚和16个数据引脚。这里，输入CLK引脚简单地支持等于系统CLK速度的一半的并行数据速率。三种不同的ITU-R 656模式仅支持活动视频、垂直消隐和完整字段。
PPI的通用模式适用于各种不同的传输和数据采集应用。因此，这些模式分为主要类别：通过内部生成的帧同步接收数据、通过内部生成帧同步发送数据、通过外部生成帧同步传输数据和通过外部生成的帧Syncs接收数据。
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Blackfin处理器包括两个双通道同步串行端口SPORT0和SPORT1，用于串行和多处理器通信。因此，这些都是高速同步串行端口，支持I²S、TDM和各种其他可配置的成帧模式，用于连接DAC、ADC、FPGA和其他处理器。
SPI或串行外围接口端口
Blackfin处理器包括一个SPI端口，该端口允许处理器与各种SPI兼容设备进行通信。该接口仅使用三个引脚来传输数据，数据引脚-2和一个CLK引脚。SPI端口的选择输入和输出引脚只需提供全双工SSI（同步串行接口），即可支持主模式和从模式以及多主环境。该SPI端口的波特率和时钟相位或极性是可编程的。该端口具有一个内置的DMA控制器，该控制器支持发送/接收数据流。
计时器
Blackfin处理器有9个可编程定时器单元。这些定时器产生对处理器核心的中断，用于提供旨在与处理器的时钟或外部信号计数同步的周期性事件。
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UART代表“通用异步收发器”端口。Blackfin处理器提供2个半双工UART端口，完全适合PC标准UART。这些端口只是为其他主机或外围设备提供一个基本的UART接口，以提供DMA支持的半双工异步串行数据传输。
UART端口包括5到8个数据位和1或2个停止位，它们支持2种操作模式，如编程I/O和DMA。在第一种模式中，处理器通过读/写I/O映射寄存器发送或接收数据，无论数据在发送和接收上被缓冲两次。在第二种模式中，DMA控制器发送和接收数据，并减少从存储器向存储器发送数据所需的中断次数。
RTC或实时时钟
blackfin处理器的实时时钟只提供了不同的功能，如秒表、当前时间和闹钟。因此，实时时钟是由Blackfin处理器外部的32.768kHz晶体计时的。处理器内的RTC具有电源引脚，即使Blackfin处理器的其余部分处于低功率状态，也可以保持通电和计时。实时时钟提供了许多可编程中断选项。32.768kHz的输入CLK频率通过预分频器分离为1Hz的信号。与其他设备类似，实时时钟可以将Blackfin处理器从深度睡眠模式/睡眠模式唤醒。
看门狗计时器
Blackfin处理器有一个32位看门狗定时器，用于执行软件看门狗功能。因此，程序员初始化计时器的计数值，以允许正确的中断，然后允许计时器。之后，软件必须在计数器从编程值计数到“0”之前重新加载计数器。
GPIO或通用I/O
GPIO是一种数字信号引脚，用作输入、输出或两者兼有，并通过软件进行控制。Blackfin处理器包括GPIO（通用I/O）引脚，48个双向跨3个独立的GPIO模块，如PORTFIO、PORTHIO和PORTGIO，分别与端口G、端口H和端口F连接。每个通用端口引脚都通过操作状态、端口控制和中断寄存器（如GPIO DCR、GPIO CSR、GPIO IMR和GPIO ISR）进行单独控制。
以太网MAC
Blackfin处理器中的以太网MAC外围设备在MII（媒体独立接口）和Blackfin的外围子系统之间提供10至100 Mb/s。MAC只需在全双工和半双工模式下工作即可。媒体访问控制器由处理器的CLKIN引脚内部计时。
记忆力
Blackfin处理器架构的内存在设备的实现中简单地提供了级别1和级别2的内存块。类似L1的数据和指令存储器只需直接连接到处理器核心，以完整的系统CLK速度运行，并为关键时间算法段提供最大的系统性能。像SRAM这样的L2存储器更大，性能略有下降，然而，与片外存储器相比，它仍然更快。
L1存储器的结构被实现为提供处理信号所需的性能，同时在微控制器中提供程序。这是通过简单地允许存储器L1被布置为SRAM、高速缓存或两者的组合来实现的。
通过支持高速缓存和SRAM编程模型，系统的设计者将需要低延迟和高带宽的关键实时信号处理数据集分配到SRAM中，同时将实时控制或操作系统任务存储在高速缓存中。
引导模式
Blackfin处理器包括六种机制，用于在复位后自动加载内部L1指令存储器。因此，不同的引导模式主要包括：；从8位和16位外部闪存、串行SPI存储器启动模式。SPI主机设备、UART、串行TWI存储器、TWI主机，并从16位外部存储器执行，绕过引导系列。对于前6种引导模式中的每一种，首先从外部存储器设备读取10字节的报头。因此，报头指示要传输的字节数和存储器目的地地址。可以通过任何引导系列加载多个内存块。当所有块都被简单地加载时，程序执行从L1指令SRAM的开始开始。
寻址模式
黑鳍处理器的寻址模式简单地确定了单个访问存储器和寻址是如何指定位置的。黑鳍处理器中使用的寻址模式有间接寻址、自动递增/递减、后修改、立即偏移索引、循环缓冲和位反转。
间接寻址
在这种模式下，指令中的地址字段包括有效操作数地址所在的内存或寄存器的位置。这种寻址分为两类，如间接寄存器和间接内存。
例如荷载R1，@300
在上述指令中，有效地址被简单地存储在存储器位置300处。
自动递增/递减寻址
自动递增寻址只需在条目右侧更新指针和索引寄存器。增量的大小主要取决于单词大小的大小。32位字访问可能导致指针更新为“4”。16位字访问用“2”更新指针，8位字访问则用“1”更新指针。8位和16位的读取操作可以指示将内容零扩展/符号扩展到目标寄存器中。指针寄存器主要用于8、16和32位访问，而索引寄存器仅用于16和32比特访问
例如：R0=W[P1++]（Z）；
在上面的指令中，一个16位字通过指针寄存器“P1”从指向地址加载到32位目标寄存器中。之后，指针增加2，并将字“0”扩展到32位目标寄存器。
类似地，自动递减是通过减少条目右边的地址来实现的。
例如：R0=[I2–]；
在上面的指令中，一个32位的值加载到目标寄存器中，并将索引寄存器减少4。
修改后寻址
这种类型的寻址只使用索引/指针寄存器中的值，就像有效地址一样。之后，它用寄存器内容对其进行修改。索引寄存器只是用修改后的寄存器来改变，而指针寄存器则由其他指针寄存器来改变。与目标寄存器一样，后修改类型寻址不支持指针寄存器。
例如：R3=[P1++P2]；
在上面的指令中，一个32位的值被加载到“R3”寄存器中，并在“P1”寄存器指向的内存位置中找到。之后，“P2”寄存器中的值与P1寄存器中的数值相加。
带立即偏移的索引
索引寻址只允许程序从数据表中获取值。指针寄存器由立即数字段更改，然后用作有效地址。因此指针寄存器值不会更新。
例如，如果P1＝0x13，则[P1+0x11]将有效地等效于[0x24]，该[0x24]与所有访问相关联。
位反向寻址
对于某些算法，程序需要位反向进位寻址以按顺序获得结果，特别是对于FFT（快速傅立叶变换）计算。为了满足这些算法的要求，数据地址生成器的位反转寻址功能重复地允许细分数据序列并以位反转的顺序存储这些数据。
循环缓冲区寻址
Blackfin处理器提供了可选循环寻址等功能，只需将索引寄存器增加预定义的地址范围，然后自动重置索引寄存器以重复该范围。因此，这个特性通过每次简单地删除地址索引指针来增强输入/输出循环的性能。
循环缓冲区寻址在重复加载或存储固定大小的数据块字符串时非常有用。循环缓冲区的内容必须满足以下条件：
- 循环缓冲区的最大长度应该是一个大小低于231的无符号数字。
- 修改器的大小必须低于圆形缓冲区的长度。
- 指针“I”的第一个位置必须在由长度“L”和基数“B”定义的循环缓冲区中。
如果不满足上述任何条件，则不指定处理器的行为。
Blackfin处理器的寄存器文件
Blackfin处理器包括三个决定性的寄存器文件，如：；数据寄存器文件、指针寄存器文件和DAG寄存器。
- 数据寄存器文件使用用于计算单元的数据总线收集操作数并存储计算结果。
- 指针寄存器文件包括用于寻址操作的指针。
- DAG寄存器管理用于DSP操作的零开销循环缓冲器。
Blackfin处理器提供一流的电源管理和性能。这些是用低电压和低功率设计方法设计的，该方法能够改变电压和操作频率，以显著降低总体功率利用率。因此，与仅仅改变操作频率相比，这可以导致功率利用率的显著降低。因此，这只会延长方便电器的电池寿命。
Blackfin处理器支持不同的外部存储器，如DDR-SDRAM、SDRAM、NAND闪存、SRAM和NOR闪存。一些Blackfin处理器还包括大容量存储接口，如SD/SDIO和ATAPI。它们还可以在外部存储器的空间内支持100兆字节的存储器。
优势
这个Blackfin处理器的优势包括以下内容。
- Blackfin处理器为系统的设计者提供了基本的好处。
- Blackfin处理器为多种形式的音频、视频、语音和图像处理、实时安全、控制处理和多模基带数据包处理等融合应用提供了软件灵活性和可扩展性
- 高效的控制处理能力和高性能的信号处理允许不同的新市场和应用。
- DPM（动态电源管理）允许系统设计者根据终端系统的要求特别修改设备的功耗。
- 这些处理器大大减少了开发时间和成本。
应用
这个Blackfin处理器的应用包括以下内容。
- Blackfin处理器是许多应用程序的理想选择，如ADAS（汽车高级驾驶员辅助系统）、监控或安全系统和工业机器视觉。
- Blackfin应用包括伺服电机控制系统、汽车电子、监控系统和多媒体消费设备。
- 这些处理器只执行微控制器和信号处理功能。
- 这些用于音频、过程控制、汽车、测试、测量等。
- Blackfin处理器用于信号处理应用，如宽带无线、移动通信和音频或视频互联网设备。
- Blackfin用于网络和流媒体、数字家庭娱乐、汽车远程信息处理、信息娱乐、移动电视、数字广播等融合应用。
- Blackfin处理器是一款具有最高功率效率和性能的嵌入式处理器，适用于多格式语音、音频、视频、多模基带、图像处理、数据包处理、实时安全和控制处理等重要应用。
因此，这是对Blackfin处理器的概述——架构、优势及其应用。该处理器执行信号处理和微控制器功能。这里有一个问题要问你，什么是处理器？