Savremeni automobil ne bi mogao biti ni zamisliv bez desetine „malih računara“ koje ga čine i upravljaju svim njegovim funkcionalnostima – od kazaljki na instrument klasteru, pa sve do kočenja vozila. U pitanju su naravno jedinice za digitalnu obradu podataka.
Razne vrste procesorskih jedinica za digitalnu obradu podataka rasprostranjene su danas u svim sferama života. Vredi se podsetiti osnovne podele jedinica koje digitalno obrađuju podatke:
- CPU jedinice (Central Processing Unit) - odnosno mikroprocesori
- Mikrokontroleri - često se označavaju na šemama i dokumentaciji sa uC ili µC
- Minijaturni računari - obično predstavljaju objedinjene funkcionalnosti mikroprocesora i mikrokontrolera
- SoC (System on Chip unit) - sistem na čipu jedinice
- Grafičke procesorske jedinice (GPU)
- FPGA jedinice ili jedinice sa podesivom/programabilnom arhitekturom
1. Šta ih razlikuje?
Glavne razlike između osnovnih tipova procesorskih jedinica (CPU, mikrokontroleri i SoC) su u njihovoj nameni, stepenu integracije, potrošnje, clock-u, dužini osnovne reči, RAMu, perifernoj komunikaciji, interfejsima i arhitekturi, broju jezgara.
1.1 Namena
Mikroprocesori su opšte višenamenske procesorske jedinice i njihov skup zadataka nije unapred određen. U te različite zadatke koje mikroprocesori mogu po potrebi i želji korisnika da obavljaju, spada obrada teksta, pregled interneta, igranje igrica, obrada fotografije, matematički proračuni, simulacije… Obično su deo kućnih računara, laptopova ili serverskih sistema.
Mikrokontroleri su specijalizovani za obavljanje specifičnih zadataka koji se obično ponavljaju. Te specifične zadatke obično obavljaju unutar kućnih aparata, raznih namenskih uređaja, industrijskih mašina, automobila, nekih prostijih tipova industrijskih kontrolera (industrijsku kontroleri ili programabilni logički kontroleri - PLC).
Posebno ističemo razliku između mikroprocesora i mikrokontrolera.
Minijaturni računari imaju mnoge karakteristike pravih računara sa mikroprocesorom, kao što su operativni sistem, web server (koji se „vrti“ na tom operativnom sistemu i koji se obično koristi za pristup samom kontroleru i podešavanju njegovih parametara), eternet interfejsi i slično. Sami minijaturni računari često obavljaju funkciju mikrokontrolera. To znači da minijaturni računari obavljaju specifične zadatke i imaju i značajan broj GPIO pinova (General Purpose Input Output pins – ulazni i izlazni pinovi opšte namjene), koje koriste za skupljanje i obradu podataka. Tipični primeri su Rasbery Pi, kao i moderni PLC uređaji za obavljanje složenih zadataka, a imaju potrebu za širokim spektrom komunikacije i umrežavanjem sa drugim uređajima i računarima. U automobilskoj industriji, mikrokotroleri su po funckiji sada bliže minijaturnim računarima, jer imaju operativni sistem koji se u pozadini „vrti“ i kako postoje potrebe za raznim vidovima eksterne komunikacije, a ne toliko centralizovanog skupljanja i obrade podataka, koja se sada više distribuira na periferne mikrokontrolere.
Sistem on Chip (SoC) procesorske jedinice se obično nalaze u pametnim telefonima i slične su po svojoj arhitekturi minijaturnim računarima, samo što je kod njih još više funkcionalnih jedinica običnog računara integrisano na samom čipu, a ne toliko na matičnoj ploči kao što je to slučaj kod običnog računara. Tipičan SoC čip ima na sebi 8 jezgara (Octacore SoC) i svako od njih ima određenu funkcionalnost za koju je zaduženo. Na primer, pojedinačna jezgra unutar SoC jedinice, mogu imati uloge kao što su CPU, GPU, ISP (Image Signal Porcessor-procesor za obradu slike), AI jezgro za mašinsko učenje i odlučivanje, jezgro za prikupljanje i obradu podataka sa senzora koji se nalaze na telefonu, jezgro za bezbednosno procesuiranje (Security Core), jezgro za 4G, 5G mobilne mreže i jezgro za Wi-Fi i bluetooth povezivanje. SoC obavlja različite i opšte zadatke, kao i obični kućni računar, u zavisnosti od zahteva kupca.
Grafičke procesorske jedinice (GPU), čija je namena bila prvenstveno digitalno procesiranje i formiranje slike na ekranu, danas su našle i druge primene zbog svoje specifične arhitekture (rudarenje kriptovaluta¬). Zbog paralelizma i velikog broja jezgara, koriste se danas i u serverskim sistemima, koji imaju veliki broj ovakvih GPU jedinica.
Programabilni logički nizovi FPGA (Field Programable Gate Array) su jedinice koje se sastoje iz niza konfigurabilnih logičkih blokova. To su jedinice sa podesivom/programabilnom arhitekturom u zavisnosti od toga kakve su želje korisnika. U njima korisnik može da koristi ograničen skup gotovih logičkih jedinica raznih namjena (ALU-Aritmetičko logičkih jedinica, multipleksera, demultipleksera...). Nekada se koriste za proveru funkcionalnosti projektovane arhitekture za mikrokontrolere. Pre nego što mikrokontroleri krenu u serijsku proizvodnju, poželjno je da se izvrši test funkcionalnosti njihove arhitekture i izvrši validacija pravilnog rada, jer bi bilo preskupo naknadno prepravljati arhitekturu kada mikrokontroleri već krenu u serijsku proizvodnju. Na taj način dizajner može da se stvara jeftinije verzije hardvera pre serijske proizvodnje.
1.2 Stepen integracije
Mikroprocesori su obično posebna hardverska jedinica u odnosu na matičnu ploču, RAM, ROM jedinice i ostale periferne priključke sa kojima su povezani eksterno preko matične ploče.
Mikrokontroleri obično imaju integrisane na jednom čipu RAM, ROM, input/output portove, serijske portove, tajmere, prekide, kola za clock i slično.
Sistem na čipu (SoC) je jedinica na kojoj su integrisane skoro sve potrebne komponente računara (CPU jedinica, memorija, ulazno izlazni portovi, sekundarna memorija...).
1.3 Potrošnja
Mikroprocesori su zahtevne jedinice u smislu potrošnje energije i zahtevaju posebne komponente za odvođenje i disipaciju toplote (radijator za pasivno, a najčešče radijator sa ventilatorom za aktivno odvođenje toplote).
Mikrokontroleri su dosta manji potrošači energije u odnosu na mirkoprocesore i obično ne zahtevaju dodatne komponente, odnosno pasivne (radijator) ili aktivne (radijator i ventilator) komponente za disipaciju toplote.
SoC su po dimenzijama mali, otprilike veličine kovanice, i moraju da stanu u pametne telefone. Njihova potrošnja treba da bude što manja zbog kapaciteta baterije iz koje se napajaju, kao i zbog problema disipacije toplote sa SoC-a, jer bi pasivni radijatori i aktivni ventilatori bili previše robusni za ugradnju u telefon. Treći razlog njihove minijaturne veličine je taj što je neophodno da se smanji potrošnja SoC-a, jer je u pitanju ručni uređaj koji korisnik drži u ruci, pa ne bi bilo dobro da se uređaj usija zbog velike disipacije toplote dok ga korisnik upotrebljava.
1.4 Clock
Današnji mikroprocesori rade u opsegu 1 GHz do 5 GHz clock-a, u zavisosti od modela i proizvođača.
Mikrokontroleri rade u opsegu od 1 MHz do 300 MHz u zavisnosti od proizvođača, modela i namene.
SoC procesori rade u opsegu od 1 GHz do 3 GHz.
1.5 Dužina osnovne reči
Današnji mikroprocesori imaju standardnu reč veličine 64 bita ili 32 bita;
Mikrokotroleri rade sa 32 bita, 16 bita i 8 bita standardnim dužinama riječi, ali opet u zavisnosti od namene i proizvođača. Postoje konfiguracije sa 64 bita, ali one se već smatraju minijaturnim računarima.
SoC Današnji Sistem on čip telefonski procesori su gotovo isključivo sa dužinom riječi 64 bit-a. Na primer do ARM Cortex 53 generacije SoC su bili uglavnom 32bitni čipovi za telefone, a nakon te generacije su gotovo isključivo 64bitni.
1.6 RAM
U osnovnim konfiguracijama u kojima se nalaze kućni računari, RAM se koristi u opsezima od 512 MB do 64 GB.
U osnovnim konfiguracijama u kojima se pojavljuje mikrokontroler, RAM se koji koristi je u opsezima 2 KB do 256 KB.
1.7 Periferna komunikacija:
Kod mikroprocesora je to USB.
Kod mikrokontrolera je to I2C.
1.8 Interfejsi
Kod mikroprocesora su to high speed ethernet i UART.
Kod mikrokontrolera su to SPI i UART.
1.9 Arhitektura
Mikroprocesori imaju CISC arhitekturu.
Mikrokontroleri imaju ARM ili RISC arhitekturu.
System on Chip (SoC) procesori koriste ARM arhitekturu.
Mikrokontroleri u automobilskoj industriji
Svi mikrokontroleri koji se koriste u automobilskoj industriji moraju da zadovoljavaju ISO 26262 standard i da ispunjavaju zadate ASIL zahteve (Automotive Safety Integrity Level : QM, A, B, C, D), kao i da koriste CAN i LIN komunikaciju zbog pouzdanosti prenosa podataka, eliminacije šuma, izbegavanja generisanja falš bitova i slično. Postoji potreba za veoma velikim brojem GPIO (General Purpose Input Output) pinova, ali i mogućnosti prelaska u sleep mode periodično, radi uštede energije.
Takođe se koristi dodatno i SBC (System Basic Chip) koji vrši monitoring određenih funkcija i pinova, kao i praćenje napona i struje napajanja glavnog kotrolera, regulacije napona glavnog kotrolera, davanje komande za izlazak iz sleep-a i šalje signale za RESET glavnog kontrolera.
Obično u arhitekturi idu zajedno glavni mikrokontroler i redudantni/pomoćni mikrokotroler, pri čemu pomoćni kontroler služi da zameni glavni kontroler ukoliko glavni kotroler otkaže ili iz nekog razloga nije funkcionalan.
Pored osnovnih komponenti kao što su CPU jegro, DMA kontroleri, blokovi za komunikaciju, na čipu mikrokontrolera u automobilskoj industriji često se danas nailazi na hardverski blok za enkripciju (Crypto engine).
Autor: Kelović Boriša
Posetite profil kompanije Continental.
