마이크로컨트롤러 번역(영어 원본)An Introduction to the Tiva™ C
Series Platform of Microcontrollers
Leading analog integration, low power consumption and fl oating-point performance in the next generation of ARM® Cortex™-M4 processors from Texas Instruments
IntroductionTI’s Tiva™ C Series platform of microcontrollers (MCUs) traces its roots to the first MCUs on the market based on the ARMR Cortex™-M processor architecture, an architecture that has quickly become the de facto industry standard. Since that time, TI’s Cortex-M products have remained true to their original purpose – providing the broadest portfolio of highly connected, low-cost and easy-to-use 32-bit MCUs. The new Tiva C Series refines TI’s offering of connected MCUs, greatly improving performance and raising features to a new level of quality.
Tiva C Series MCUs provide a high level of connectivity and sensor aggregation, which make them perfect for connected applications, such as home, building and industrial automation. These MCUs take advantage of two significant technologies: the latest ARM Cortex-M4 core processor and the design techniques and process technologies perfected at Texas Instruments. The result is a 32-bit MCU platform with processing performance that is more effective per clock cycle, integrated mixed-signal circuits that are on par with traditional standalone components, Flash memory with erase-write endurance that is best-in-class and power consumption that is highly competitive with other 32-bit MCUs in both active and standby modes. Such qualities will further increase the breadth of applications powered by Tiva C Series MCUs and enable connected applications that were not previously feasible. The major features of Tiva C Series ARM Cortex-M4 Microcontrollers (MCUs) are depicted in the block diagram of Figure 1. A more thorough list can be found in the product data sheets.
ARM Cortex-M4: Higher performance, still compatibleThe Tiva C Series platform makes use of the most advanced ARM architecture core for MCUs, the Cortex-M4. As a 32-bit processor architecture, Cortex-M MCUs enjoy a rich instruction set with far greater fl exibility than 8- or even 16-bit architectures and can operate on data that is up to 32 bits wide with ease. The long and successful history of the ARM architecture in embedded applications assures the greatest selection of third-party hardware and software support, pre-packaged off-the-shelf software like stacks and real-time operating systems (RTOSs) and experienced engineering and programming personnel for any project. Previous generations of TI’s ARM-based MCUs under the brand “StellarisR” used the original Cortex™-M3 architecture. The Thumb-2R instruction set of this earlier version of the Cortex-M core is a high-density, power-effi cient instruction set suitable for a wide variety of general-purpose data processing and control operations. The Cortex-M3 Thumb-2 instructions include arithmetic, logical, bit, branch and data movement operations found on many MCUs. It also adds more advanced operations and multiplication, bitfi eld manipulation, conditional prefi xes and operates on 8-, 16- and 32-bits of data. The ARM Cortex-M3 has become a standard for modern 32-bit MCUs.
The new Cortex-M4 core expands the instruction offering of the Cortex-M3 by adding digital signal processing (DSP) extensions and single instruction, multiple data (SIMD) instructions. Tiva C Series devices also include the fl oating-point option across the entire portfolio of Tiva C Series products. The DSP operations of Tiva C Series devices include single-cycle 32-bit or dual 16-bit multiply-accumulate (MAC) instructions and saturating arithmetic instructions. Optimized SIMD instructions can perform four 8-bit or two 16-bit arithmetic operations in a single cycle and are therefore, very effective at performing arithmetic operations on large arrays of data. The hardware divide logic produces a result in between 2 and 12 clock cycles. Together, these instructions add DSP-like capabilities to a responsive controller core. The single precision fl oatingpoint instructions are compliant with the IEEE 754 standard and include functions such as square root and a fused MAC that enable higher precision. Numerous data type conversions are available, speeding transitions between domains.
Besides providing a signifi cant performance increase for math-intensive operations, fl oating-point support greatly simplifi es the implementation and programming of fl oating-point routines. It is not uncommon for a customer to spend one week developing a digital fi lter in MATLABR then spend another month converting the fi lter to a fi xed-point implementation to ensure it is both precise and stable. This development time is not required when programmers can program their fi lters in the native fl oating-point format.
Embracing TI’s integrated technologies
Now fi rmly embedded into TI’s MCU catalog, the new Tiva C Series MCUs have taken full advantage of the advances and technologies that TI has honed to excellence with its proprietary MSP and C2000™ MCUs. In some cases, like the mixed-signal circuits and the memory structures, specifi c circuits were targeted. On the other hand, an aggressive process technology has led to a reduction in power consumption across the board. In the end, Tiva C Series MCUs are an accumulation of many feature enhancements and technology improvements.
Precision integrated analog
In building Tiva C Series MCUs, special effort went into designing high-quality, high-resolution analog-todigital converters (ADCs). The result is seen in the integrated high-resolution 12-bit ADC that samples as fast as 1 MSPS, a sample rate that supports both the full resolution and accuracy of the ADCs, unlike other MCUs that degrade the quality of the readings to achieve higher sample rates. Two of these converters are on-chip and can be fed from 24 independent inputs.
To enhance precision, a differential external reference voltage can be applied to dedicated inputs. The ADCs can generate processor interrupts based on a conversion completion, as well as on a match to one of eight digital comparators. Readings from the ADCs can be queued, compared and averaged within the ADC. The on-chip micro direct memory access controller (μDMA) can feed ADC readings from the ADC FIFOs to RAM or another peripheral without waking up or distracting the ARM core. There are also three on-chip analog comparators that can be used with a programmable internal voltage reference detect when an input analog signal has crossed a specifi c threshold. These three analog comparators, along with the digital comparators, remove the requirement of continuously polling incoming ADC values and free up the CPU to focus on real-time application tasks.
Motion control is just one application that can take advantage of fast, accurate ADCs, fl oating-point performance to run more sophisticated algorithms and on-chip comparators. The more quickly and precisely the motor driver can track the dynamics of a motor during actual operation, the less pushback resistance the generated PWMs will encounter and the more effi cient the control signals will be. Less energy will be expended, and the shaft will spin smoother and maintain speed or accelerate in spite of varying loads. The on-chip comparators can be used to check for fault conditions in the system, requiring immediate response. |
마이크로컨트롤러 번역(한국어 번역본)마이크로컨트롤러 플랫폼 TivaTM C 시리즈 소개
아날로그 통합과 낮은 전력 소모 및 부동 소수점 성능에서 단연 앞서는 텍사스 인스트루먼츠의 차세대 ARM® CortexTM-M4 프로세서
개요
TI의 마이크로컨트롤러 플랫폼 TivaTM C 시리즈(MCUs)의 기원은 빠른 속도로 사실상의 산업표준으로 자리잡은 ARM® CortexTM-M 프로세서 아키텍처를 기반으로 한 최초의 MCUs로 거슬러 올라갑니다. 이후, TI의 Cortex-M 제품은 원래의 제품 목적대로 연결성 높은, 저렴하고 사용하기 쉬운 32-bit MCU의 폭넓은 포트폴리오를 제공하고 있습니다. 신제품 Tiva C 시리즈는 성능을 크게 향상시키고 기능을 새로운 수준의 퀄리티로 높여 TI가 제공하는 연결 MCU를 개선했습니다.
Tiva C 시리즈 MCUs는 높은 수준의 연결성과 센서 집적을 제공하여 가정, 건물, 산업 자동화와 같은 상호 연결된 애플리케이션에 완벽한 제품입니다. MCU는 두 가지 중요한 기술을 활용합니다. MCU에 활용되는 이 두 가지 기술에는 텍사스 인스트루먼츠에서 완성된 최신 ARM Cortex-M4 코어 프로세서 및 디자인 기술과 프로세스 기술이 있습니다. 그 결과 클럭 사이클당 더욱 효과적인 처리 성능, 종래의 독립형 구성요소와 동일한 수준의 통합된 혼합 신호 회로, 동종 최강의 재기록 내구성의 플래시 메모리, 활성모드와 대기모드에서 다른 32-bit MCU에 비해 경쟁력 높은 전력 소모의 32-bit MCU 플랫폼이 탄생했습니다. 이런 품질로 인해 Tiva C 시리즈 MCU의 용도가 더욱 확대되었고 이전에는 실행할 수 없었던 연결 애플리케이션을 가능하게 합니다. Tiva C 시리즈 ARM Cortex-M4 마이크로컨트롤러(MCUs)의 주요 기능은 그림1의 구성도와 같습니다. 보다 자세한 목록은 제품 데이터시트에서 확인할 수 있습니다.
ARM Cortex-M4: 성능은 더욱 우수하면서도 경쟁력 있는 제품
Tiva C 시리즈 플랫폼은 MCU, Cortex-M4를 위해 최첨단 ARM 아키텍처를 사용합니다. Cortex-M MCU는 32-bit 프로세서 아키텍처이기 때문에, 8-bit 또는 16-bit 아키텍처보다 유연성이 훨씬 큰 풍부한 명령어 집합을 사용하며, 손쉽게 최대 32 bit 와이드까지 데이터를 운영할 수 있습니다. 내장형 애플리케이션에서 ARM 아키텍처의 오랜, 성공적 역사는 제3의 하드웨어 및 소프트웨어 지원의 더욱 폭넓은 선택, 스택 및 실시간 운영체제(RTOS) 같은 프리패키지 상용 소프트웨어, 경험 엔지니어링 및 프로젝트용 개인 프로그래밍을 보장합니다. “Stellaris®” 브랜드로 제작된 이전 세대의 TI의 ARM 기반 MCU는 오리지널 CortexTM-M3 아키텍처를 사용했습니다. Cortex-M 코어의 초기 버전의 Thumb-2® 명령어 집합은 다양한 일반 용도의 데이터 프로세스와 제어 동작에 적합한 밀도 높은 전력 효율적인 명령어 집합입니다. Cortex-M3 Thumb-2 명령어에는 많은 MCU에서 확인할 수 있는 산술적, 논리적, 비트, 브랜치 및 데이터 이동 작업이 포함됩니다. 명령어 집합은 또한 보다 고급 단계의 작업 및 곱셈, 비트 단위 조작, 조건 접두사를 추가하며, 8-, 16-, 32-bit 데이터로 조작합니다. ARM Cortex-M3는 최근 32-bit MCU의 표준이 되었습니다.
새로운 Cortex-M4 코어는 디지털신호처리(DSP) 확장과 단일 명령어, 다중 데이터(SIMD) 명령어를 추가하여 Cortex-M3이 제공하는 명령어를 확대합니다. 또한 Tiva C 시리즈 디바이스에는 Tiva C 시리즈 제품의 전체 포트폴리오의 부동 소수점 옵션이 포함됩니다. Tiva C 시리즈 디바이스의 DSP 운영은 단일 사이클 32-bit 또는 듀얼 16-bit MAC(multiply-accumulate) 명령어 및 포화 산술연산 명령어(Saturating arithmetic instructions)을 포함합니다. 최적화된 SIMD 명령어는 싱글 사이클에서 4x 8-bit 또는 2x 16-bit 산술연산을 실행하기 때문에 대량의 데이터의 산술연산을 매우 효과적을 실행할 수 있습니다. 하드웨어 분할 로직은 2와 12사이의 클럭 사이클이 됩니다. 이 명령어들은 모두 함께 응답 컨트롤러 코어에 DSP 같은 기능을 추가합니다. 단일 부동 소수점 명령어는 IEEE 754 표준을 따르며 보다 높은 정확도에 필요한 제곱근 및 fused MAC 같은 기능을 포함합니다. 무수한 데이터 유형 변환이 가능하며 도메인 간 빠른 변화가 가능합니다.
수학 전문 작업에서 성능이 크게 향상된 것 외에도, 부동 소수점 지원은 부동 소수점 루틴의 실행과 프로그래밍을 단순화합니다. MATLAB®에서 디지털 필터를 개발하는데 한 주를 소비하고, 정확성과 안정성을 위해 필터를 고정 소수점 실행으로 전환하는데 또다시 한 달을 소비하는 것은 흔히 있는 일입니다. 그러나 프로그래머가 고유의 부동 소수점 형식으로 필터를 프로그래밍할 수 있다면 그렇게 긴 개발 시간이 필요치 않습니다.
TI의 통합 기술 포용
이제 TI의 MCU 카탈로그에 포함된 제품군인 새로운 Tiva C 시리즈 MCU는 TI 소유의 MSP와 C2000TM MCU로 그 우수성이 입증된 TI의 발전과 기술을 온전히 활용한 제품입니다. 혼합 신호 회로 및 메모리 구조 같은 일부 경우에 특정 회로를 타깃으로 했습니다. 한편, 공격적 처리 기술은 보드의 전력 소비를 감소시켰습니다. 이렇게 Tiva C 시리즈 MCU는 축적된 기능 향상과 기술 진보 결과입니다.
정밀한 통합 아날로그
많은 노력으로 Tiva C 시리즈 MCU 구축에서 고품질, 고해상도의 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 설계했습니다. 그런 노력의 결실은 ADC의 전해상도 및 정확도를 지원하는 샘플 속도 1 MSPS라는 빠른 속도의 통합 고해상도 12-bit ADC에서 나타나는데 이것은 샘플 속도가 높아지면 인식의 질이 낮아지는 여타의 MCU와 다릅니다. 이들 변환기들 중 두 개는 온칩 형태이며 24시간 독립적인 입력으로 급전할 수 있습니다.
정밀도를 향상시키기 위해 전용 입력에 외부의 차동 기준 전압을 사용할 수 있습니다. ADC는 완료된 변환에 따라 8개 디지털 비교기 중 하나에 맞게 프로세서 인터럽트를 발생시킬 수 있습니다. ADC의 인식은 대기 상태로 되거나, 비교되거나 ADC 내에서 균등해 질 수 있습니다. 온칩 마이크로 다이렉트 메모리 엑세스 컨트롤러(μDMA)는 ARM 코어를 활성화시키거나 흩뜨지지 않고 ADC FIFO에서 RAM이나 다른 주변장치로 ADC 인식을 전달할 수 있습니다. 또한 입력 아날로그 신호가 특정 역치를 지날 때 프로그래밍가능 내부 전압 기준 검출에 사용할 수 있는 3개의 온칩 아날로그 비교기가 있습니다. 디지털 비교기와 더불어 세 개의 아날로그 비교기는 유입되는 ADC 값을 계속적으로 폴링하지 않아도 되게 해주며 실시간 애플리케이션 작업에 초점을 맞추도록 CPU를 비웁니다.
모션 컨트롤은 보다 정교한 알고리즘과 온칩 비교기를 운영하기 위해 빠르고 정확한 ADC, 부동 소수점 성능을 활용하는 애플리케이션의 하나일 뿐입니다. 실제 작업 동안 모터 드라이버의 모터의 동작 추적이 빠르고 정밀할수록 발생되는 PWM이 만나게 되는 역방향 저항이 적고 제어신호가 보다 효율적입니다. 에너지 소모가 적을수록 그리고 축의 회전이 부드러울수록 다양한 부하에도 불구하고 속도 유지나 가속이 가능합니다. 온칩 비교기는 고장에 대한 즉각적인 대응이 필요할 경우, 시스템의 고장 상태를 점검하는데 사용할 수 있습니다. |
