System Takt

Die internen Funktionen des Propeller Chip werden von einem System Takt kontrolliert der bestimmt wie schnell der Propeller läuft und wie schnell die Ausführung von Programmen ist.

Es gibt vier Taktquellen von denen der System Takt abgeleitet werden kann

• der interne langsame Oszillator (RCSLOW 20kHz)
• der interne schnelle Oszillator (RCFAST 12MHz)
• einem Quarz oder Schwingkreis
• einem Frequenzgenerator

Benutzt man einen Quarz, Schwingkreis oder einen Frequenzgenerator kann zusätzlich ein PLL aktiviert werden, der den System Takt 16fach beschleunigt.

Der System Takt kann bis zu 80MHz betragen. Bis 100MHz läuft der Propeller unter normalen Bedingungen noch stabil. Höhere Frequenzen lassen den Propeller instabil werden.

RCSLOW

Wenn der Propeller Chip theoretisch mit 20kHz läuft, kann sich der Takt in Wirklichkeit zwischen 13kHz und 33kHz befinden (Hersteller Toleranzen).

Der Oszillator ist über kurze Zeitspannen recht stabil. Allerdings verschiebt sich die Taktfrequenz mit der Zeit. Das ist hauptsächlich abhängig von der Temperatur des Propeller Chip und dessen Versorgungsspannung.

Für einen präzisen und stabilen Systemtakt ist ein externer Quarz, Schwingkreis oder Frequenzgenerator unabdingbar.

RCFAST

Wenn der interne Oszillator mit 12MHz läuft sind es in der Realität zwischen 8MHz und 20MHz.

Der Propeller Chip benutzt den RCFAST Oszillator beim Bootvorgang und wenn er ein Programm von einem PC empfängt. Um die Takt Werkstoleranzen der Propeller Chips auszugleichen benutzt das Empfangsprotokoll einen Mechanismus der kein 100 Prozent genaues Timing benötigt.

Quarz oder Schwingkreis

Der Propeller unterstützt das direkte anschließen eines Quarz oder Schwingkreises mit Frequenzen von 0 bis 80MHz. Ist der interne PLL aktiviert muss die Frequenz des externen Taktgebers zwischen 4MHz und 10MHz liegen. Bei einem externen Frequenzgenerator werden keine Kondensatoren benötigt. Sein Ausgang wird einfach an den entsprechenden Propeller PIN angeschaltet.

Frequenzgenerator Modul

Der Propeller unterstützt das direkte anschalten eines Frequenzgenerators mit einer Frequenz von 0 bis 128MHz. Ist der interne PLL aktiviert muss der externe Takt zwischen 4MHz und 10MHz liegen.

PLL

Ist der interne PLL aktiviert kann er einen externen Takt bis zu einem Faktor von 16 beschleunigen. Der PLL Schaltkreis multipliziert den externen Takt immer 16fach und ein nachgeschalteter Teiler erzeugt den finalen Systemtakt. Der PLL erzeugt Frequenzen von 64MHz bis 160MHz. Das erfordert einen externen Takt zwischen 4MHz und 10MHz. Der höchste Systemtakt sollte 80MHz betragen. Das erfordert eine Teilung des Taktes hinter dem PLL die einen Takt von maximal 80MHz erzeugt.

Das bedeutet wenn der PLL aktiviert ist sollte der externe Takt nur in einem bestimmten Bereich liegen, maximal 10MHz. Wenn man einen Systemtakt von 80MHz benötigt, braucht man einen externen Takt von 5MHz (5*16/1) oder 10MHz (10*16/2).

In der Praxis kann der Systemtakt problemlos 96MHz (6MHz extern) erreichen. Die Firma Parallax berichtet das alle Propeller Chips einen Test mit 104MHz absolvieren müssen.

Der Propeller Chip besitzt keine Interrupt Eingänge wie andere Microkontroller. Alle externen Ereignisse müssen wiederholt abgefragt werden oder es muss auf ein High oder Low an einem Port PIN gewartet werden. Für die Mehrkern Architektur des Propeller stellt das aber kein Problem dar. Man stellt einfach einen oder mehrere Cog’s zur Interrupt Verwaltung ab. Diese(r) wartet in einer Schleife bis die gewünschten Interrupt Ereignisse eintreten während in den anderen Cog’s weitere Programme unbeeinflusst ablaufen.

Bei mehreren Interrupts deren Timing unkritisch ist kann ein Cog mit einer zyklischen Abfrage auf mehrere Ereignisse reagieren. Kritische Interrupts können von einem einzelnen Cog binnen weniger Taktzyklen erfasst werden.

Ein Propeller Chip Programm läuft z.B. in einem Cog während andere Cog’s sich um Interrupts kümmern. Da alle Cog’s unabhängig arbeiten können mehrere Interrupts parallel bearbeitet werden. Das kann kein anderer Einkern Microcontroller, ausgenommen solche mit Hardware Interrupt Eingängen.

Da jeder Cog Hardware Zähler besitzt kann man auch kurze Signal Impulse erkennen. Das kann von einem Cog dazu verwendet werden um zyklisch Interrupt Eingänge abzufragen und ein eintreffendes Ereignis quasi nebenher zu bearbeiten.

Ein Cog der zyklisch mehrere Interrupt Eingänge abfragt kann eine eigene Interrupt Priorisierung durchführen. Durch diese zyklische mehrfach Abfrage ist es auch möglich Massnahmen einzuleiten, die auf dem Eintreffen mehrerer gleichzeitiger Interrupts basieren und nicht auf einem einzelnen Interrupt. Die Polarität der Interrupt Eingänge ist nur vom Programm abhängig und kann wenn erforderlich zur Laufzeit geändert werden.

Das Cog RAM ist der Speicher, den jeder Cog für sich alleine hat. Es besteht auf 496 x 32 Bits der für Code und Daten verwendet werden kann. Ferner befinden sich noch 16 spezial Register im RAM. Der USER Speicherbereich geht von $000 bis $1EF und die Spezialregister gehen von $1F0 bis $1FF. Die meisten Befehle beeinflussen alle 32 Bits  einer Adresse. Eine Ausnahme stellen Code selbstmodifizierende Befehle wie MOVS, MOVD, MOVI und der CALL sowie JMPRET dar.

• MOVS beeinflusst die unteren 9 Bits (B8 bis B0) einer Cog Speicheradresse ohne die anderen Bits zu verändern
• MOVD macht das selbe mit den nächsten 9 Bits (B17 bis B9) ohne die anderen Bits zu verändern
• MOVI verändert nur die MSB (Most Significant Bits) B31-B23
• CALL und JMPRET beeinflussen ebenfalls die unteren 9 Bits (B8 bis B0) des RET Befehls um die Rückkehr aus einer Assembler Subroutine zu vereinfachen

Spezial Register

* nicht vorhanden im P8X32 Propeller Chip

Der 32kByte große Hauptspeicher ist von den RAM’s der einzelnen Cogs separiert.

Ein Programm welches auf einem Cog läuft (egal ob Benutzerprogramm oder der SPIN Interpreter) hat durch die Befehle RDLONG, RDWORD, RDBYTE, WRLONG, WRWORD und WRBYTE Zugriff auf den Hauptspeicher. Diese Befehle werden immer komplett durchgeführt und nie teilweise. Wenn also zwei Cogs nacheinander in den gleichen Hauptspeicherbereich schreiben, so steht dort immer der Wert den der in der zuletzt hineingeschrieben wurde. Dieser Wert ist kein Mischwert aus beiden Schreibzugriffen.

Die Benutzung von Locks hilft einem Cog einen längeren ununterbrochenen Zugriff auf den Hauptspeicher zu bekommen um größere Bereiche des Hauptspeichers zu lesen/beschreiben.

Der Hauptspeicher kann entweder mit 32k x 8 Bits, 16k x 16 Bits, 8k x 32 Bits oder wenn erforderlich eine Mischung aus diesen angesprochen werden. Wenn die Befehle RDLONG oder WRLONG benutzt werden müssen die zwei LSB’s auf null gesetzt werden. Bei den Befehlen RDWORD und WRWORD muss das LSB auf null gesetzt werden.

Der Hauptspeicherinhalt wird beim starten des Propeller von einem externen 32k x 8 Bit I2C EEPROM oder von der Propeller Tool Software einkopiert. Danach startet der SPIN Interpreter im Cog 0, welcher dann beginnt den geladenen SPIN Code auszuführen.

Das externe EEPROM bzw. der vom Tool eingespielte Code muss immer ein SPIN Programm enthalten. Auch wenn dieses SPIN Programm nur dazu dient den Operations Modus des Propeller festzulegen und dann mit anderweitigem Code weiter zu arbeiten.

Der Hauptspeicher enthält keinen ausführbaren Maschinencode wie bei einem normalen Microcontroller. Er enthält nur Daten. Die Interpretation dieser Daten hängt vom laufenden echten Programm in einem der Cog’s ab. Da im Cog 0 zuallererst der SPIN Interpreter startet ist er der Entscheider wie die nachfolgenden Daten interpretiert werden.