Neuron多處理器芯片及其應用
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關(guān)鍵詞：神經(jīng)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(jīng)元芯片，有著(zhù)完整的系統資源，如圖1所示，其內部集成有三個(gè)管線(xiàn)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(shí)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(gè)16位定時(shí)器/計數器，能夠由固件產(chǎn)生15個(gè)軟件定時(shí)器。Neuron芯片的長(cháng)處還在于它的網(wǎng)絡(luò )通信功能，引出的五個(gè)通信引腳（CP0～CP4）提供了單端、差分和特殊應用模式等三種網(wǎng)絡(luò )通信方式。
1.處理器單元
Neuron芯片集成有三個(gè)處理器，其中一個(gè)用于執行用戶(hù)編寫(xiě)的應用程序，另外兩個(gè)完成網(wǎng)絡(luò )任務(wù)。圖2示意了Neuron芯片內三個(gè)處理器的功能分配及與內部共享存儲器區域之間的關(guān)系。
（1）MAC處理器是媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層處理器。它處理OSI七層網(wǎng)絡(luò )協(xié)議中的1，2層，主要包括驅動(dòng)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(wǎng)絡(luò )緩沖區與網(wǎng)絡(luò )處理器進(jìn)行通信。
（2）網(wǎng)絡(luò )處理器實(shí)現網(wǎng)絡(luò )協(xié)議中的3～6層。它實(shí)現網(wǎng)絡(luò )變量處理、尋址、事務(wù)處理、文電鑒別、軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò )管理和路由等功能。網(wǎng)絡(luò )處理器通過(guò)共享存儲器中的網(wǎng)絡(luò )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(jìn)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(fǎng)問(wèn)都用硬件信號燈來(lái)協(xié)調，以便在更新共享數據時(shí)消除競爭。
（3）應用處理器一方面執行用戶(hù)編寫(xiě)的應用程序代碼，另一方面執行由用戶(hù)代碼所調用的操作系統服務(wù)。大多數應用程序均可采用Neuron C語(yǔ)言來(lái)編制，使編程工作真正從繁瑣的匯編語(yǔ)言中解脫出來(lái)。
2.存儲器分配
MC143150的外擴存儲器接口總線(xiàn)中，有8位雙向數據總線(xiàn)、16位處理器驅動(dòng)的地址總線(xiàn)以及用于外部存儲器存取訪(fǎng)問(wèn)的兩個(gè)接口信號線(xiàn)R/W和E?？偟牡刂房臻g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(hù)程序和數據信息。
3.應用I/O口
具有11個(gè)引腳的I/O接口提供有34種編程方式，另外，2個(gè)16位定時(shí)器/計數器可用于頻率和定時(shí)I/O。由固件產(chǎn)生的15種軟件定時(shí)器并不占用應用處理器的運算時(shí)間，而由完成網(wǎng)絡(luò )功能的處理器實(shí)現。因此，用戶(hù)可直接使用軟件定時(shí)器，不必考慮其具體操作。
Neuron芯片提供的11個(gè)I/O引腳（IO0～IO10）可通過(guò)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(shí)器/計數器I/O對象、串行I/O對象、并行I/O對象等供用戶(hù)選擇。它們與集成的硬件和固件一起可用于連接馬達、閥門(mén)、顯示驅動(dòng)器、A/D轉換器、壓力傳感器、熱敏電阻、開(kāi)關(guān)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(shí)際應用。表1列舉了所有I/O對象的基本類(lèi)型。
表1 I/O對象類(lèi)型參照表
| I/O對象類(lèi)型 | 注 釋 |
| Bit input/output | 位輸入/輸出 |
| Bitshift input/output | 位稱(chēng)輸入/輸出 |
| Byte input/output | 字節輸入/輸出 |
| Dualslope input | 雙積分輸入 |
| Edgedivide output | 脈沖沿分離輸出 |
| Edgelog input | 邊沿跳變時(shí)間間隔序列輸入 |
| Frequency output | 頻率輸出 |
| I2C input/output | I2C輸入/輸出 |
| Infrared input | 遠紅外輸入 |
| Leveldetect input | 電平監測輸入 |
| Magcard input | 磁卡編碼輸入 |
| Magtrackl input | 經(jīng)錄入1輸入 |
| Muxbus input/output | 多總線(xiàn)輸入/輸出 |
| Neurowire input/output | 神經(jīng)元接口輸入/輸出 |
| Nibble input/output | 半字節輸入/輸出 |
| Oneshot output | 單穩輸出 |
| Ontime input | 邏輯電持續時(shí)間輸入 |
| Parallel input/output | 并行輸入/輸出 |
| Preiod input | 周期輸入 |
| Pulsecount input | 脈沖計數輸入 |
| Pulsecount output | 脈沖計數輸出 |
| Pulsewidth output | 脈寬輸出 |
| Quadrature input | 位置碼盤(pán)輸入 |
| Serial input/output | 串行輸入/輸出 |
| Totalcount input | 累加計數輸入 |
| Touch input/output | 觸點(diǎn)輸入/輸出 |
| Triac output | 觸發(fā)輸出 |
| Triggeredcount output | 計數觸發(fā)輸出 |
| Wiegand input | 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(dòng)，也可外接變壓器驅動(dòng)或外接485總線(xiàn)驅動(dòng)。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(mén)狗定時(shí)器和服務(wù)引腳等附加功能。
（1）Neuron芯片可以在軟件控制下進(jìn)入低耗的睡眠狀態(tài)，此時(shí)，振蕩器系統時(shí)鐘、通道端口所用的定時(shí)器/計數器均關(guān)閉。但是，所有的狀態(tài)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(gè)看門(mén)狗定時(shí)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(shí)器，則整個(gè)神經(jīng)元芯片將被自動(dòng)復位。在10MHz時(shí)鐘下，看門(mén)狗定時(shí)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(diǎn)時(shí)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(xié)議、I/O驅動(dòng)程序、事件驅動(dòng)的多任務(wù)調試程度以及函數庫等部分。其中的LonTalk協(xié)議具有通用性，支持多種媒體和多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，并提供多種服務(wù)。LonTalk協(xié)議可使控制信息在各種介質(zhì)中可靠地傳輸。表2列出了LonTalk與OSI 7層協(xié)議之間的比較，以及與Neuron芯片中三個(gè)處理器之間的關(guān)系。
表2 LonTalk與OSI7層協(xié)議的比較
| 層號 | OSI層次 | 標準服務(wù) | LON提供的服務(wù) | 處理器 |
| 7 | 應用層 | 網(wǎng)絡(luò )應用 | 定義標準網(wǎng)絡(luò )變量類(lèi)型 | 應用處理器 |
| 6 | 表示層 | 數據表示 | 網(wǎng)絡(luò )變量、外部幀傳送 | 網(wǎng)絡(luò )處理器 |
| 5 | 會(huì )話(huà)層 | 遠程操作 | 請求/響應、認證、網(wǎng)絡(luò )管理 | 網(wǎng)絡(luò )處理器 |
| 4 | 傳送層 | 端對端的可靠傳輸 | 應答、非應答、點(diǎn)對點(diǎn)、廣播、認證等 | 網(wǎng)絡(luò )處理器 |
| 3 | 網(wǎng)絡(luò )層 | 目的地址尋址 | 地址、路由 | 網(wǎng)絡(luò )處理順 |
| 2 | 鏈路層 | 介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)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(yōu)先級、碰撞檢測 | MAC處理器 |
| 1 | 物理層 | 電氣連接 | 介質(zhì)、電氣接口 | MAC處理器 |
三、Neuron C語(yǔ)言
Neuron C是基于A(yíng)NSI C并針對LonWorks分布控制的應用，經(jīng)優(yōu)化、加強而成的一種程序設計語(yǔ)言。它增強了對I/O支持、時(shí)間處理、報文傳遞等功能，其擴充部分包括軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò )變量、顯式報文、一個(gè)多任務(wù)調試、EEPROM變量和雜函數等。Neuron C語(yǔ)言提供的主要特征和支持包括以下內容。
（1）一個(gè)內部多任務(wù)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(fā)的并行任務(wù)，并可以控制任務(wù)執行的優(yōu)先級。
（2）一個(gè)Run-Time函數庫：調用時(shí)執行事件檢查、I/O管理、網(wǎng)絡(luò )信息的接收和傳送、Ueuron的多種控制等。
（3）實(shí)現對I/O操作顯式的控制：通過(guò)對I/O對象的說(shuō)明來(lái)定義標準化Neuron芯片特有的多功能I/O。
（4）新一級對象“網(wǎng)絡(luò )變量”的說(shuō)明語(yǔ)句：網(wǎng)絡(luò )變量作為Neuron C語(yǔ)言的對象，無(wú)論何時(shí)被賦值，其值都可自動(dòng)地傳遍網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )變量的引入和使用了節點(diǎn)間的數據共享。
（5）新語(yǔ)句“when”：定義由事件驅動(dòng)的任務(wù)。
（6）支持顯式報文傳遞：實(shí)現對基本LonTalk協(xié)議服務(wù)的直接訪(fǎng)問(wèn)。
（7）一種對毫秒和秒計時(shí)器對象說(shuō)明的語(yǔ)句：它們在停止計數時(shí)將會(huì )激活用戶(hù)定義的任務(wù)。
利用Neuron C語(yǔ)言提供的支持，可大大控制網(wǎng)絡(luò )軟件的開(kāi)發(fā)和應用，使開(kāi)發(fā)人員幾乎感覺(jué)不到在網(wǎng)絡(luò )環(huán)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(shí)現LonTalk協(xié)議服務(wù)，執行節點(diǎn)中的應用程序。
2.收發(fā)器
收發(fā)器其實(shí)是連接Neuron芯片和通信介質(zhì)之間的接口，可支持比絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)射頻、光纖及紅外等多種介質(zhì)的通信。由于Neuron固件中含有通信協(xié)議，因此，該器件的使用對構建網(wǎng)絡(luò )環(huán)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(pán)、顯示器等I/O設備所需的電子線(xiàn)路。它需要按照不同的應用要求單獨設計。此時(shí)，只要通過(guò)配置I/O對象和編制Neuron C應用程序，就能控制該應用系統的工作，并實(shí)現網(wǎng)絡(luò )環(huán)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(guò)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(xié)議支持，Neuron芯片的通信口可通過(guò)收發(fā)器實(shí)現與網(wǎng)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(wú)疑是相當方便的。
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