Neuron多處理器芯片及其應(yīng)用
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(jié)構(gòu)的神經(jīng)元芯片，有著完整的系統(tǒng)資源，如圖1所示，其內(nèi)部集成有三個(gè)管線CPU，最高工作頻率可達(dá)10MHz。它設(shè)置有11編程輸入、輸出引腳（IO1～I(xiàn)O10），編程方法多達(dá)34種，方便了實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。片內(nèi)設(shè)有EEPROM和RAM，支持有外部擴(kuò)展多種存儲(chǔ)器的接口，最大存儲(chǔ)空間允許有64KB。內(nèi)部含有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，能夠由固件產(chǎn)生15個(gè)軟件定時(shí)器。Neuron芯片的長處還在于它的網(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(yīng)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(zhí)行用戶編寫的應(yīng)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(nèi)三個(gè)處理器的功能分配及與內(nèi)部共享存儲(chǔ)器區(qū)域之間的關(guān)系。
（1）MAC處理器是媒體訪問控制層處理器。它處理OSI七層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的1，2層，主要包括驅(qū)動(dòng)通信子系統(tǒng)硬件以及執(zhí)行沖突回避算法等。MAC處理器使用位于共享存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行通信。
（2）網(wǎng)絡(luò)處理器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的3～6層。它實(shí)現(xiàn)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)處理器通過共享存儲(chǔ)器中的網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)與MAC處理器通信，并采用應(yīng)用緩沖區(qū)與應(yīng)用處理器進(jìn)行通信。應(yīng)用緩沖區(qū)也是設(shè)置在共享存儲(chǔ)器中的。對(duì)緩沖區(qū)的訪問都用硬件信號(hào)燈來協(xié)調(diào)，以便在更新共享數(shù)據(jù)時(shí)消除競爭。
（3）應(yīng)用處理器一方面執(zhí)行用戶編寫的應(yīng)用程序代碼，另一方面執(zhí)行由用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務(wù)。大多數(shù)應(yīng)用程序均可采用Neuron C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(chǔ)器分配
MC143150的外擴(kuò)存儲(chǔ)器接口總線中，
有8位雙向數(shù)據(jù)總線、16位處理器驅(qū)動(dòng)的地址總線以及用于外部存儲(chǔ)器存取訪問的兩個(gè)接口信號(hào)線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(nèi)，剩余的58KB的地址空間供外擴(kuò)存儲(chǔ)器使用。在外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，通常用16KB存放固件，其余的42KB用于存放用戶程序和數(shù)據(jù)信息。
3.應(yīng)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(jì)數(shù)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(yīng)用處理器的運(yùn)算時(shí)間，而由完成網(wǎng)絡(luò)功能的處理器實(shí)現(xiàn)。因此，用戶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～I(xiàn)O10）可通過編程設(shè)定為34種不同的I/O對(duì)象，支持電平、脈沖、頻率、編碼等各種信號(hào)模式，有直接I/O對(duì)象、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器I/O對(duì)象、串行I/O對(duì)象、并行I/O對(duì)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(dá)、閥門、顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器、壓力傳感器、熱敏電阻、開關(guān)量、繼電器、可控硅、轉(zhuǎn)速計(jì)、其他處理器和調(diào)制解調(diào)器等，方便了實(shí)際應(yīng)用。表1列舉了所有I/O對(duì)象的基本類型。
表1 I/O對(duì)象類型參照表
| I/O對(duì)象類型 | 注 釋 |
| Bit input/output | 位輸入/輸出 |
| Bitshift input/output | 位稱輸入/輸出 |
| Byte input/output | 字節(jié)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(yuǎn)紅外輸入 |
| Leveldetect input | 電平監(jiān)測輸入 |
| Magcard input | 磁卡編碼輸入 |
| Magtrackl input | 經(jīng)錄入1輸入 |
| Muxbus input/output | 多總線輸入/輸出 |
| Neurowire input/output | 神經(jīng)元接口輸入/輸出 |
| Nibble input/output | 半字節(jié)輸入/輸出 |
| Oneshot output | 單穩(wěn)輸出 |
| Ontime input | 邏輯電持續(xù)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(jì)數(shù)輸入 |
| Pulsecount output | 脈沖計(jì)數(shù)輸出 |
| Pulsewidth output | 脈寬輸出 |
| Quadrature input | 位置碼盤輸入 |
| Serial input/output | 串行輸入/輸出 |
| Totalcount input | 累加計(jì)數(shù)輸入 |
| Touch input/output | 觸點(diǎn)輸入/輸出 |
| Triac output | 觸發(fā)輸出 |
| Triggeredcount output | 計(jì)數(shù)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(qū)動(dòng)，也可外接變壓器驅(qū)動(dòng)或外接485總線驅(qū)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(tǒng)時(shí)鐘、通道端口所用的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均關(guān)閉。但是，所有的狀態(tài)信息（包括內(nèi)部RAM中的內(nèi)容）都保留，這樣可以降低系統(tǒng)功耗。
（2）Neuron芯片中的處理器由三個(gè)看門狗定時(shí)器保護(hù)，主要針對(duì)軟件錯(cuò)誤或存儲(chǔ)器錯(cuò)誤。若系統(tǒng)軟件或應(yīng)用軟件不能周期性地復(fù)位些定時(shí)器，則整個(gè)神經(jīng)元芯片將被自動(dòng)復(fù)位。在10MHz時(shí)鐘下，看門狗定時(shí)器大約持續(xù)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(jié)點(diǎn)時(shí)使用。該引腳的可編程上拉電阻由應(yīng)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(qū)動(dòng)程序、事件驅(qū)動(dòng)的多任務(wù)調(diào)試程度以及函數(shù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(hào) | OSI層次 | 標(biāo)準(zhǔn)服務(wù) | LON提供的服務(wù) | 處理器 |
| 7 | 應(yīng)用層 | 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 | 定義標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)變量類型 | 應(yīng)用處理器 |
| 6 | 表示層 | 數(shù)據(jù)表示 | 網(wǎng)絡(luò)變量、外部幀傳送 | 網(wǎng)絡(luò)處理器 |
| 5 | 會(huì)話層 | 遠(yuǎn)程操作 | 請(qǐng)求/響應(yīng)、認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)管理 | 網(wǎng)絡(luò)處理器 |
| 4 | 傳送層 | 端對(duì)端的可靠傳輸 | 應(yīng)答、非應(yīng)答、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播、認(rèn)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)訪問和數(shù)據(jù)組幀 | 幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)解碼、CRC差錯(cuò)檢測預(yù)測、CSMA磁撞回避、選擇優(yōu)先級(jí)、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語言
Neuron C是基于ANSI C并針對(duì)LonWorks分布控制的應(yīng)用，經(jīng)優(yōu)化、加強(qiáng)而成的一種程序設(shè)計(jì)語言。它增強(qiáng)了對(duì)I/O支持、時(shí)間處理、報(bào)文傳遞等功能，其擴(kuò)充部分包括軟件定時(shí)器、網(wǎng)絡(luò)變量、顯式報(bào)文、一個(gè)多任務(wù)調(diào)試、EEPROM變量和雜函數(shù)等。Neuron C語言提供的主要特征和支持包括以下內(nèi)容。
（1）一個(gè)內(nèi)部多任務(wù)調(diào)度程序：允許程序員以一種自然的方式邏輯地表達(dá)由事件引發(fā)的并行任務(wù)，并可以控制任務(wù)執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)。
（2）一個(gè)Run-Time函數(shù)庫：調(diào)用時(shí)執(zhí)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(xiàn)對(duì)I/O操作顯式的控制：通過對(duì)I/O對(duì)象的說明來定義標(biāo)準(zhǔn)化Neuron芯片特有的多功能I/O。
（4）新一級(jí)對(duì)象“網(wǎng)絡(luò)變量”的說明語句：網(wǎng)絡(luò)變量作為Neuron C語言的對(duì)象，無論何時(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(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)共享。
（5）新語句“when”：定義由事件驅(qū)動(dòng)的任務(wù)。
（6）支持顯式報(bào)文傳遞：實(shí)現(xiàn)對(duì)基本LonTalk協(xié)議服務(wù)的直接訪問。
（7）一種對(duì)毫秒和秒計(jì)時(shí)器對(duì)象說明的語句：它們?cè)谕Ｖ褂?jì)數(shù)時(shí)將會(huì)激活用戶定義的任務(wù)。
利用Neuron C語言提供的支持，可大大控制網(wǎng)絡(luò)軟件的開發(fā)和應(yīng)用，使開發(fā)人員幾乎感覺不到在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下編程。
四、應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成
圖3所示是基于Neuron芯片的應(yīng)用系統(tǒng)，一般由下述器件構(gòu)成。
1.Neuron芯片
它主要用于實(shí)現(xiàn)LonTalk協(xié)議服務(wù)，執(zhí)行節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)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、電力線、無線射頻、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(duì)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應(yīng)用系統(tǒng)十分方便。
3.應(yīng)用電路
應(yīng)用電路是連接Neuron芯片的I/O引腳到諸如傳感器、執(zhí)行器、鍵盤、顯示器等I/O設(shè)備所需的電子線路。它需要按照不同的應(yīng)用要求單獨(dú)設(shè)計(jì)。此時(shí)，只要通過配置I/O對(duì)象和編制Neuron C應(yīng)用程序，就能控制該應(yīng)用系統(tǒng)的工作，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的通信功能。
從圖3所示的應(yīng)用系統(tǒng)可知：Neuron芯片的I/O口可通過應(yīng)用電路輸入或輸出數(shù)據(jù)，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收發(fā)器實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)上其他應(yīng)用系統(tǒng)的雙向數(shù)據(jù)通信。Neuron芯片的強(qiáng)大功能和組成應(yīng)用系統(tǒng)的靈活結(jié)構(gòu)，對(duì)組建分布式應(yīng)用系統(tǒng)無疑是相當(dāng)方便的。
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