traitement parallèle
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REVUE DE cONcEPTION REVUE DE cONcEPTION Lancez-vous dans le traitement parallèle avec le Parallax Propeller ™ De Dr William Marshall, RS components De temps en temps une nouveauté fait son apparition. Ça fait maintenant de nombreuses années que le développement des microcontrôleurs emprunte les mêmes voies : soit le même processeur « coeur » de base entouré d'autres périphériques, soit le processeur lui-même rendu de plus en plus puissant. Cog 0 Cog 1 Cog 2 Cog 3 Cog 4 Cog 5 Cog 6 Cog 7 Sens des broches Sortie des broches Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL Reg. de direction E/S Générateur vidéo Reg. de sortie E/S Compteur A + PPL Compteur B + PPL 32 32 P31 P15 P30 P14 P29 P13 P28 P12 P27 P11 P26 P10 P25 P9 P24 Broches E/S P23 P8 P7 P22 P6 P21 P20 P5 P4 512 x 32 RAM 512 x 32 RAM 512 x 32 RAM 512 x 32 RAM 512 x 32 RAM 512 x 32 RAM 512 x 32 RAM 512 x 32 RAM P19 P3 P18 P2 Processeur Processeur Processeur Processeur Processeur Processeur Processeur Processeur P17 P16 P1 P0 32 32 Entrées des broches 32 Compteur système 32 Bus de données 16 Bus d'adresses Détecteur de tension (~10ms) P3 P2 P1 P0 VDO VSS P31 P30 P29 P28 P27 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 VDD VSS P4 1 33 P26 P5 2 32 P25 P6 3 31 P24 P7 4 30 VDD XO VSS 5 29 BOEn 6 28 XI RESn 7 27 VSS P20 22 P21 23 21 24 11 20 10 19 P9 P10 18 P22 17 25 16 9 15 P8 14 26 12 8 P23 12 VDD Détecteur de baisse de tension BOEn P19 P17 P18 P16 P15 VSS VDD P14 P13 P12 Séquenceur de bus Cog 0 RAM 8192 x 32 CLKSEL RESn 3 Oscillateur RC 12 MHz / 20 MHz SOFTRES 5 PLLENA XI OSCENA OSCMODE 2 Oscillateur à quartz CC 0 80 MHz (4 - 8 MHz avec horloge PLL) Horloge PLL 1x, 2x, 4x, 8x, 16x,(16x doit être 64 - 128 MHz) Sélecteur d'horloge (MUX) ROM 8192 x 32 HORLOGE Activation Cog Plate-forme Cog 6 Bits de verrouillage (8) SOFTRES PLLENA OSCENA OSCMODE CLKSEL 2 3 Configuration Registre Cog 1 Cog 7 3 XO P11 RESET Compteur système HORLOGE Plate-forme Retard de réarmement (~50 ms) Compteur système Cog 2 RAM, ROM, Configuration, Contrôle Cog 5 Cog 3 Cog 4 Interaction Plate-forme/Cog Fig. 1 20 eTech - NUMÉRO 3 Broches E/S Tous les microcontrôleurs ont en commun un processeur unique qui s'appuie sur une logique dédiée et spécialisée assurant des fonctionnalités telles qu'une sortie de modulation en largeur d'impulsion (PWM) et une entrée de comptage par impulsions. Le Propeller de Parallax représente une évolution majeure dans l'approche de conception. Ce dispositif comporte huit processeurs 32 bits ou « COG » avec une logique de support minimale et un matériel d'E/S des plus élémentaires (Fig.1). À première vue, cet agencement pourrait susciter des réactions du genre : « Super, je vais pouvoir implémenter ce projet de réseau neuronal en utilisant chaque COG pour exécuter fondamentalement le même programme. » Mais bien qu'un traitement purement parallèle puisse effectivement être un bon usage pour le Propeller, je ne pense pas que la conception ait été motivée par ce type d'application. L'idée est de laisser à l'ingénieur un maximum de contrôle sur le système périphérique dans une application donnée. Vous pouvez tout de même faire exécuter le programme de haut niveau par un COG unique qui sous-traite les tâches de niveau inférieur, comme les E/S série, à un autre COG en fonction des besoins. Mais ce qui est vraiment fascinant sur ce dispositif c'est sa capacité à se reconfigurer sous contrôle d'un programme afin de s'adapter aux besoins du moment et d'arrêter ensuite les processus quand ils ne sont plus nécessaires, en réaffectant éventuellement les ressources des processeurs à une tâche totalement différente. L'horloge du processeur est également sous contrôle d'un programme, ce qui permet de diminuer la consommation d'énergie si une haute vitesse n'est pas nécessaire pour mettre en œuvre des E/S lentes telles que RS-232. Le kit de démarrage Le kit contient une toute petite carte de démo équipée de nombreux connecteurs d'E/S dont certains vous surprendront : sortie VGA vers un moniteur, sortie TV, connecteurs clavier et souris PS/2. Les sorties vidéo sont disponibles car, dans sa ROM de ressource centrale, la puce contient la table de recherche d'un générateur de caractères. Le seul port d'E/S « traditionnel » est l'USB provenant de la puce FTDI intégrée. La fonction UART qui commande ce dispositif est bien-entendu entièrement mise en œuvre par logiciel et s'exécute sur l'un des COG. Toutes les communications avec le logiciel IDE du PC, le Propeller Tool, se font via le port USB. La carte est équipée d'une mémoire EEPROM série qui communique avec le Propeller via un bus I2C ce qui, vous l'avez deviné, est mis en œuvre par un logiciel exécuté sur un COG. Les programmes utilisateur disposent ainsi d'une mémoire non volatile. Ces routines d'E/S sont chargées à partir de la ROM du système lors du Reset de façon à ce que les programmes puissent être téléchargés à partir du PC ou de l'EEPROM, mais sont ensuite arrêtées avant que le programme utilisateur commence à s'exécuter. Si votre programme a besoin de ces ressources d'E/S, il devra les charger et leur affecter un ou plusieurs COG en fonction des besoins. Si cette méthode peut sembler peu commode à première vue, elle évite d'encombrer inutilement l'espace mémoire avec des ressources superflues. Propeller Tool L'IDE fourni avec le kit de démarrage est appelé Propeller Tool et permet l'édition de programme, la compilation du langage de haut niveau Spin et le téléchargement sur la carte de démo. Vous avez la possibilité de programmer en Spin, en langage assembleur, ou avec une combinaison des deux. Il va de soi que l'assembleur permet une exécution plus efficace et plus rapide et on retrouve le compromis classique entre un développement rapide et une exécution rapide. L'écran de l'éditeur est très coloré et l'attribution automatique des différentes couleurs pour coder les blocs aide à mieux comprendre la structure du programme. Deux options sont disponibles pour télécharger et exécuter : compiler et exécuter dans la RAM d'un COG, et compiler et envoyer dans l'EEPROM externe où le programme est automatiquement chargé dans la RAM par le chargeur d'amorçage. La première option convient mieux au développement, car le programme est seulement transféré dans la mémoire non volatile quand le code fonctionne. Utilisation de la carte de démo Pour illustrer certaines des principales caractéristiques de la programmation du Propeller, une tâche a été mise au point pour commander la vitesse d'un petit moteur à courant continu en utilisant la modulation en largeur d'impulsion (PWM). Deux boutons-poussoirs fournissent les entrées d'augmentation et de baisse de la vitesse (Speed Up et Speed Down). La capacité des ports d'E/S étant insuffisante pour commander le moteur utilisé, un circuit pont en H a été construit avec la moitié d'un driver quadruple L293D, monté ensuite sur la carte de circuit imprimé avec deux commutateurs « Tact », des résistances « Pull up » et des condensateurs de découplage (voir la photo page 23). Notez l'utilisation de la variante D de ce composant, qui est dotée de diodes de protection intégrées pour contrôler les charges inductives. Sur les 32 ports du Propeller, seuls les Ports 0 à 7 sont disponibles pour l'utilisateur, les autres étant réservés aux bus EEPROM, etc. sur cette carte de démo. Le Propeller est un composant +3,3V bien que les deux alimentations stabilisées +3,3V et +5V soient également disponibles. Ainsi, la logique du L293D fonctionne avec l'alimentation +3,3V, alors que sa broche d'alimentation de moteur séparée est connectée au +5V. La connexion à la terre ou 0V qui peut être reliée à la pince crocodile d'une sonde d'oscilloscope est un petit détail mais très utile. Programmation en Spin Une solution de programme possible pour commander le moteur est présentée dans le Listing 1 (voir page 22). Il ne s'agit pas d'une solution optimale mais elle illustre certaines des particularités essentielles de la programmation du Propeller. L'objectif est d'utiliser deux COG ; l'un commande la sortie PWM avec un rapport marque/espace défini par la variable globale Ratio, l'autre surveille deux entrées de bouton-poussoir et définit la valeur de Ratio. La fréquence du PWM est de 1 kHz. Les instructions CON configurent deux constantes système et définissent la vitesse de l'horloge. Nous avons opté pour une horloge de 20 MHz de sorte que le multiplicateur interne PLL est défini à 4 étant donné le quartz 5 MHz fourni avec la carte. Ensuite, les instructions VAR définissent les variables globales : Ratio comme indiqué plus haut, Period et Stack qui affecte l'espace de pile pour le deuxième COG. La première méthode publique, PUB Main, effectue les tâches d'initialisation habituelles, dont la définition d'une valeur initiale de Ratio équivalente à 50 % du PWM. Chaque COG possède une simple unité « Compter/Capturer » reposant sur certains registres et quelques éléments de logique. Il y a deux compteurs identiques, A et B, chacun composé de trois registres : CTR, FRQ et PHS. CTR définit le mode de fonctionnement, PHS est l'accumulateur contenant la valeur courante et FRQ est ajouté à PHS en fonction des besoins. Ici, c'est le compteur A qui est utilisé. Pour commencer, le registre CTRA est défini pour sélectionner le mode PWM et le Bit 31 de PHSA est relié au Port 0 de sortie. FRQA est défini à 1 de sorte que PHSA est incrémenté de un à chaque cycle de l'horloge système. Suite page 22 > eTech - NUMÉRO 3 21 REVUE DE CONCEPTION REVUE DE CONCEPTION ‘’ ********************************************************************************** ‘’ * Simple régulateur de vitesse de moteur CC utilisant des compteurs pour varier * ‘’ * le rapport marque/espace du PWM de 0 à 100 % * ‘’ ********************************************************************************** ‘’Port 0 = Sortie PWM ‘’Port 1 = Entrée du bouton Speed Up ‘’Port 2 = Entrée du bouton Speed Down CON _clkmode _clkfreq = = xtal1 + PLL4X 20_000_000 VAR word Ratio word Period long Stack[9] ‘Ratio = largeur de l'impulsion du PWM ‘Period = période du PWM ‘Espace pile pour COG 1 PUB Main ‘’Initialisation des ports, des compteurs et démarrage du programme Ratio := 10000 ‘PWM initial 50 % Period := 20000 ‘Définit la période du PWM ctra[30..26] := %00100 ‘Configure le Compteur A au mode NCO/PWM ctra[5..0] := %00000 ‘Associe le Compteur APIN au Port 0 frqa := 1 ‘Définit l'incrément de compteur à 1 dira[0..2] := %100 ‘Définit les Ports 0 = sortie , 1 & 2 = entrée cognew(Buttons, @Stack) ‘Démarre l'exécution de la routine Buttons sur COG 1 Toggle ‘COG 0 exécute la routine de génération du PWM PUB Toggle | Time ‘’COG 0 produit un signal PWM avec une largeur d'impulsion définie par la variable Ratio Time := cnt ‘Définit le temps de base en utilisant le Compteur système repeat ‘Répète les 3 lignes suivantes indéfiniment phsa := -Ratio ‘Charge la largeur d'impulsion inversée dans PHS Time += Period ‘Time = Time + Period waitcnt(Time) ‘Attend pendant l'intervalle défini par Time PUB Buttons | Width ‘’COG 1 surveille les 2 boutons-poussoirs pour déterminer la valeur de Ratio repeat ‘Répète les 8 lignes suivantes indéfiniment Width := Ratio waitpne(%110, %110, 0) ‘Attend qu'un bouton soit appuyé if ina[1] == 0 ‘Si le bouton Speed UP est appuyé Width := Width + 1 <# Period ‘alors incrémenter Width jusqu'à Period max else ‘Bouton Speed DOWN appuyé Width := Width - 1 #> 0 ‘alors diminuer Width jusqu'à min 0 Ratio := Width waitcnt(6000 + cnt) ‘Attend avant de contrôler à nouveau les boutons Listing 1. Code source SPIN pour le programme de démonstration PWM 22 eTech - NUMÉRO 3 < Suite de la page 21 > Vient ensuite l'instruction vraiment intéressante : COGNEW. C'est elle qui lance le deuxième COG. Jusqu'ici, c'est COG 0 qui a tout fait : l'exécution du chargeur d'amorçage et ensuite la première partie de notre programme. COGNEW lui indique de charger la méthode publique Buttons dans le COG libre suivant, dans ce cas COG 1, et de lancer l'exécution. Il lance ensuite la méthode Toggle et l'exécute à partir de maintenant. L'une des particularités du Propeller est que les 32 lignes de port GPIO sont partagées par tous les processeurs. Chaque COG possède son propre registre de Direction de port, dont chaque sortie est mise en fonction OU avec le registre de COG suivant (voir la Fig.1 page 20). Un COG qui a besoin d'un port de sortie doit définir le bit approprié dans son registre de direction au 1 logique. Une fois défini, il permet également à la sortie correspondante du registre d'E/S du COG de configurer la broche d'E/S. Il faut veiller à ce que deux COG n'essayent pas d'utiliser la même ligne de port pour la sortie, Car le programme aurait alors un comportement inattendu ! L'entrée d'un port est complètement indépendante et n'importe quel COG peut lire l'état de n'importe quelle broche de port à tout moment. Un COG peut contrôler sa propre sortie ou même surveiller ce que font les autres COG sur les broches de port qu'ils ont configurées comme sorties. Le Propeller n'ayant pas de système d'interruption, plusieurs instructions sont utilisées pour interrompre l'exécution du programme jusqu'à ce qu'un événement se produise. WAITCNT suspend l'opération pour le nombre spécifié de cycles d'horloge système en comparant la valeur d'un nombre cible à la valeur du compteur système CNT. Dans PUB Toggle, PHSA est chargé avec la valeur négative (complément à 2) de Ratio. Ceci définit le Bit 31 ou le « bit de signe » de PHSA au 1 logique. Comme ce bit est relié au Port 0, la sortie PWM passe aussi à l'état haut. PHSA est maintenant automatiquement incrémenté à la fréquence de l'horloge système en lui ajoutant FRQA. Après Ratio cycles d'horloge, PHSA atteint zéro et le Bit 31 passe au 0 logique, ce qui correspond à la fin de l'impulsion PWM. Pendant ce temps, le COG attend à l'instruction WAITCNT pendant la durée Period. PHSA continue naturellement à s'incrémenter, mais la fin de Period est atteinte bien avant que PHSA atteigne à nouveau une valeur haute du Bit 31. Quand le délai de WAITCNT expire, le cycle se répète, PHSA étant rechargé avec –Ratio. Nous avons donc ajouté des opérations parallèles en déterminant la largeur de l'impulsion avec le Compteur, alors que de son côté le programme du COG définit la période. C'est ainsi que la forme d'onde PWM au Port 0 est générée par Toggle. L'instruction WAITPNE dans la méthode Buttons attend que le Port 1 ou le Port 2 (ou les deux) passe au 0 logique. Autrement dit, elle attend qu'un bouton soit appuyé. L'avantage de ces instructions Wait est que l'opération du COG est suspendue, ce qui permet une réduction de consommation de plus de 85 %. Vous pouvez constater que le COG exécutant Buttons passe la plupart de son temps « endormi », et ne se réveille que quand c'est nécessaire. Les instructions max (<#) et min (#>) dans Buttons donnent les limites haute et basse de Ratio. Liste des composants Code commande. Kit de démarrage Propeller 32330 405-571 Driver demi-pont quadruple L293DNE 526-868 Commutateur bouton-poussoir Tact 479-1390 Moteur CC RE280 238-9709 Encore plus vite On pourrait s'attendre à ce que des programmes exécutés par un interpréteur intégré, dans ce cas SPIN, soient plus lents que des programmes en assembleur natif. Dans une certaine mesure, l'architecture unique du Propeller creuse la différence de vitesse. En effet, le code SPIN de l'utilisateur réside dans une RAM centrale partagée alors que chaque COG exécute l'interpréteur dans sa propre mémoire locale. La plate-forme permet d'accéder aux ressources centrales selon une séquence temporelle stricte et un COG donné peut être contraint à attendre son tour. Le code machine de l'assembleur est stocké et exécuté dans la mémoire locale du COG ce qui permet d'augmenter considérablement le débit. Ouvrages à consulter Programming and Customizing the Multicore Propeller Microcontroller Shane Avery et al ISBN 978-0-07-166450-9 McGraw Hill Toujours plus en ligne... Une version plus complète de cet article et les fichiers du code source SPIN sont disponibles sur rs-components.com/etech eTech - NUMÉRO 3 23
