Neuron多處理器芯片及其應用

Neuron多處理器芯片及其應用

摘要：Neuron芯片是美國Mitorola公司和日本Toshiba公司制造的一種多處理器結構的神經元芯片。它將通信協議和控制用微處理器有效地集成在一起，實現通信、控制、調度和I/O等功能。本文以MC134150為例，介紹有關Neuron芯片的基本結構和組成、LonTalk協議以及應用系統的組成方式等。
　　關鍵詞：神經元芯片多處理器Neuron固件
　　
　　一、Neuron芯片的基本組成
　　
　　Neuron芯片作為一種多處理器結構的神經元芯片，有著完整的系統資源，如圖1所示，其內部集成有三個管線CPU，最高工作頻率可達10MHz。它設置有11編程輸入、輸出引腳（IO1～IO10），編程方法多達34種，方便了實現應用。片內設有EEPROM和RAM，支持有外部擴展多種存儲器的接口，最大存儲空間允許有64KB。內部含有兩個16位定時器/計數器，能夠由固件產生15個軟件定時器。Neuron芯片的長處還在于它的網絡通信功能，引出的五個通信引腳（CP0～CP4）提供了單端、差分和特殊應用模式等三種網絡通信方式。
　　
　　1.處理器單元
　　
　　Neuron芯片集成有三個處理器，其中一個用于執行用戶編寫的應用程序，另外兩個完成網絡任務。圖2示意了Neuron芯片內三個處理器的功能分配及與內部共享存儲器區域之間的關系。
　　
　　（1）MAC處理器是媒體訪問控制層處理器。它處理OSI七層網絡協議中的1，2層，主要包括驅動通信子系統硬件以及執行沖突回避算法等。MAC處理器使用位于共享存儲器中的網絡緩沖區與網絡處理器進行通信。
　　
　　（2）網絡處理器實現網絡協議中的3～6層。它實現網絡變量處理、尋址、事務處理、文電鑒別、軟件定時器、網絡管理和路由等功能。網絡處理器通過共享存儲器中的網絡緩沖區與MAC處理器通信，并采用應用緩沖區與應用處理器進行通信。應用緩沖區也是設置在共享存儲器中的。對緩沖區的訪問都用硬件信號燈來協調，以便在更新共享數據時消除競爭。
　　
　　（3）應用處理器一方面執行用戶編寫的應用程序代碼，另一方面執行由用戶代碼所調用的操作系統服務。大多數應用程序均可采用NeuronC語言來編制，使編程工作真正從繁瑣的匯編語言中解脫出來。
　　
　　2.存儲器分配
　　
　　MC143150的外擴存儲器接口總線中，有8位雙向數據總線、16位處理器驅動的地址總線以及用于外部存儲器存取訪問的兩個接口信號線R/W和E。總的地址空間為64KB，其中有6KB的地址空間保留在芯片內，剩余的58KB的地址空間供外擴存儲器使用。在外擴存儲器中，通常用16KB存放固件，其余的42KB用于存放用戶程序和數據信息。
　　
　　3.應用I/O口
　　
　　具有11個引腳的I/O接口提供有34種編程方式，另外，2個16位定時器/計數器可用于頻率和定時I/O。由固件產生的15種軟件定時器并不占用應用處理器的運算時間，而由完成網絡功能的處理器實現。因此，用戶可直接使用軟件定時器，不必考慮其具體操作。
　　
　　Neuron芯片提供的11個I/O引腳（IO0～IO10）可通過編程設定為34種不同的I/O對象，支持電平、脈沖、頻率、編碼等各種信號模式，有直接I/O對象、定時器/計數器I/O對象、串行I/O對象、并行I/O對象等供用戶選擇。它們與集成的硬件和固件一起可用于連接馬達、閥門、顯示驅動器、A/D轉換器、壓力傳感器、熱敏電阻、開關量、繼電器、可控硅、轉速計、其他處理器和調制解調器等，方便了實際應用。表1列舉了所有I/O對象的基本類型。
　　
　　表1I/O對象類型參照表
　　
　　I/O對象類型注釋Bitinput/output位輸入/輸出Bitshiftinput/output位稱輸入/輸出Byteinput/output字節輸入/輸出Dualslopeinput雙積分輸入Edgedivideoutput脈沖沿分離輸出Edgeloginput邊沿跳變時間間隔序列輸入Frequencyoutput頻率輸出I2Cinput/outputI2C輸入/輸出Infraredinput遠紅外輸入Leveldetectinput電平監測輸入Magcardinput磁卡編碼輸入Magtracklinput經錄入1輸入Muxbusinput/output多總線輸入/輸出Neurowireinput/output神經元接口輸入/輸出Nibbleinput/output半字節輸入/輸出Oneshotoutput單穩輸出Ontimeinput邏輯電持續時間輸入Parallelinput/output并行輸入/輸出Preiodinput周期輸入Pulsecountinput脈沖計數輸入Pulsecountoutput脈沖計數輸出Pulsewidthoutput脈寬輸出Quadratureinput位置碼盤輸入Serialinput/output串行輸入/輸出Totalcountinput累加計數輸入Touchinput/output觸點輸入/輸出Triacoutput觸發輸出Triggeredcountoutput計數觸發輸出Wiegandinput維甘德輸入
　　4.通信口
　　
　　由CP0～CP4組成的通信接口，允許工作在單端或差分模式，既可直接驅動，也可外接變壓器驅動或外接485總線驅動。傳輸速率的選擇范圍為0.6kb/s～1.2Mb/s。
　　
　　5.附加功能
　　
　　Neuron芯片具有睡眠/喚醒電路、看門狗定時器和服務引腳等附加功能。
　　
　　（1）Neuron芯片可以在軟件控制下進入低耗的睡眠狀態，此時，振蕩器系統時鐘、通道端口所用的定時器/計數器均關閉。但是，所有的狀態信息（包括內部RAM中的內容）都保留，這樣可以降低系統功耗。
　　
　　（2）Neuron芯片中的處理器由三個看門狗定時器保護，主要針對軟件錯誤或存儲器錯誤。若系統軟件或應用軟件不能周期性地復位些定時器，則整個神經元芯片將被自動復位。在10MHz時鐘下，看門狗定時器大約持續0.84s。
　　
　　（3）Service引腳在芯片固件的控制下，為配置和安裝含有芯片的節點時使用。該引腳的可編程上拉電阻由應用軟件選擇。
　　
　　二、Neuron固件
　　
　　Neuron芯片的固件主要包括基于OSI參考模型的LonTalk協議、I/O驅動程序、事件驅動的多任務調試程度以及函數庫等部分。其中的LonTalk協議具有通用性，支持多種媒體和多種網絡拓撲結構，并提供多種服務。LonTalk協議可使控制信息在各種介質中可靠地傳輸。表2列出了LonTalk與OSI7層協議之間的比較，以及與Neuron芯片中三個處理器之間的關系。
　　
　　表2LonTalk與OSI7層協議的比較
　　
　　層號OSI層次標準服務LON提供的服務處理器7應用層網絡應用定義標準網絡變量類型應用處理器6表示層數據表示網絡變量、外部幀傳送網絡處理器5會話層遠程操作請求/響應、認證、網絡管理網絡處理器4傳送層端對端的可靠傳輸應答、非應答、點對點、廣播、認證等網絡處理器3網絡層目的地址尋址地址、路由網絡處理順2鏈路層介質訪問和數據組幀幀結構、數據解碼、CRC差錯檢測預測、CSMA磁撞回避、選擇優先級、碰撞檢測MAC處理器1物理層電氣連接介質、電氣接口MAC處理器
　　三、NeuronC語言
　　
　　NeuronC是基于ANSIC并針對LonWorks分布控制的應用，經優化、加強而成的一種程序設計語言。它增強了對I/O支持、時間處理、報文傳遞等功能，其擴充部分包括軟件定時器、網絡變量、顯式報文、一個多任務調試、EEPROM變量和雜函數等。NeuronC語言提供的主要特征和支持包括以下內容。
　　
　　（1）一個內部多任務調度程序：允許程序員以一種自然的方式邏輯地表達由事件引發的并行任務，并可以控制任務執行的優先級。
　　
　　（2）一個Run-Time函數庫：調用時執行事件檢查、I/O管理、網絡信息的接收和傳送、Ueuron的多種控制等。
　　
　　（3）實現對I/O操作顯式的控制：通過對I/O對象的說明來定義標準化Neuron芯片特有的多功能I/O。
　　
　　（4）新一級對象“網絡變量”的說明語句：網絡變量作為NeuronC語言的對象，無論何時被賦值，其值都可自動地傳遍網絡。網絡變量的引入和使用了節點間的數據共享。
　　
　　（5）新語句“when”：定義由事件驅動的任務。
　　
　　（6）支持顯式報文傳遞：實現對基本LonTalk協議服務的直接訪問。
　　
　　（7）一種對毫秒和秒計時器對象說明的語句：它們在停止計數時將會激活用戶定義的任務。
　　
　　利用NeuronC語言提供的支持，可大大控制網絡軟件的開發和應用，使開發人員幾乎感覺不到在網絡環境下編程。
　　
　　四、應用系統的基本組成
　　
　　圖3所示是基于Neuron芯片的應用系統，一般由下述器件構成。
　　
　　1.Neuron芯片
　　
　　它主要用于實現LonTalk協議服務，執行節點中的應用程序。
　　
　　2.收發器
　　
　　收發器其實是連接Neuron芯片和通信介質之間的接口，可支持比絞線、電力線、無線射頻、光纖及紅外等多種介質的通信。由于Neuron固件中含有通信協議，因此，該器件的使用對構建網絡環境的應用系統十分方便。
　　
　　3.應用電路
　　
　　應用電路是連接Neuron芯片的I/O引腳到諸如傳感器、執行器、鍵盤、顯示器等I/O設備所需的電子線路。它需要按照不同的應用要求單獨設計。此時，只要通過配置I/O對象和編制NeuronC應用程序，就能控制該應用系統的工作，并實現網絡環境的通信功能。
　　
　　從圖3所示的應用系統可知：Neuron芯片的I/O口可通過應用電路輸入或輸出數據，以與外界接口；借助于Neuron芯片固件中的LonTalk協議支持，Neuron芯片的通信口可通過收發器實現與網上其他應用系統的雙向數據通信。Neuron芯片的強大功能和組成應用系統的靈活結構，對組建分布式應用系統無疑是相當方便的。
　　

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