Úvod:

První jádro s ozačení ColdFire se objevilo v roce 1994 a technologicky vycházelo z legendární rodiny procesorů 68K. Hned od počátku se tyto procesory vyznačovaly proměnnou délkou jak instrukcí tak i dat.

Již od začátku vývoje kladla Motorola (dnes již Freescale) velký důraz na koncové zákazníky a ve snaze vyjít jím vstříc s touto novou architekturou, vyhodnotil zdrojové kódy z mnoha 68K systémů a na základě výsledků této studie, navrhl redukovanou instrukční sadu (která vychází z originální instrukční sady procesorů 68000, jež mělyf instrukční sadu kompletní) a dále jádro jako vhodné prostředí pro tyto výkonné instrukce. Stejně jako jiné procesory RISC, je většina instrukcí ColdFire provedena v jednom instrukčním cyklu.

RISC architektura jádra ColdFire s proměnnou délkou istrukcí a dat dává uživatelům větší flexibilitu a to při menších nárocích na pamět a systémové prostředky.  Protože instrukce mohou být 16, 32 nebo 48 bitů dlouhé, program může být efektivněji uložen v paměti což má za následek lepší hustotu kódu než mají klasické 32 nebo 64bitové RISC procesory.  Efektivnější použití paměti na čipu redukuje šíři sběrnice a nároky na externí paměť, což opět vede ke zmenšení nákladů na systém řízený pomocí těchto procesorů.

Malé, levné a vysoce vybavené:

Jádro ColdFire výrazným způsobem redukuje náklady na celkový embedded systém kde je použit. Je to zejména díky tomu, že je kompletně upravitelné (z výrobního hlediska) a jednoduše se do něho dají integrovat systémové moduly, (MAC, FPU atd.) paměti a periférie (porty, rozhraní atd.). Díky jednotce pro správu paměti lze na těchto procesorech provozovat i operační systémy jako je např. Linux či WindowsCE.

Kvůli vzájemné provázanosti obou architektur (68K a ColdFire), mají současní uživatelé 68K procesorů možnost jak zmodernizovat své návrhy bez výraznějších časových ztrát spojených s přechodem na novou platformu. Jelikož je instrukční sada ColdFire subsadou rodiny procesorů 68K, přechod na novou architekturu není tak náročný.

Díky širokému mixu výkonu, dobré ceny, vysoké integrace obvodů, vyspělé schopnosti debuggingu (nebo jak na našem diskuzním fóru vtipně poznamenal pan Jan Waclawek tzv. "odvšivovač") a více jak 20leté historii procesorů 68K, si ColdFire vydobil velmi slušnou pozici v 32bitovém segmentu trhu. Úžasný je také rozsah nabízených komunikačních rozhraní:

• UART
• USART
• I²C
• FEC
• QSPI
• USB 1.0, 1.1, 2.0
• Ethernet 10/100
• SSI
• CAN

Strategie vývoje:

Strategie vývoje architektury ColdFire je rozdělena do dvou částí - zákaznicky specifikované produkty pro velké firmy a standardní produkty pro všeobecné vestavěné systémy. Protože jsou všechna ColdFire jádra 100% slučitelná, je vcelku jednoduché integrovat novou technologii do zákaznického systému. Tyto procesory jsou ve velkém měřítku používány v např. v inkoustových a laserových tiskárnách, audio elektronice, síťových zařízeních, set-top boxech atd.

Architektura:

Do přílišných informačních hloubek dnes zabíhat nebudu poněvadž každá verze jádra má několik konkrétních typů lišících se počtem pinů, čítačů, časovačů, taktem jádra, velikostí pamětí atd. Uvedu jen základní dělení na jednotlivé verze jádra. Konkrétní typy si pak představíme v některém z následujících článků.

• V1 - ač je číslován jako první jedná se o jádro které je zjednodušením jádra V2, jedná se o typ který byl vyvinut jako přechod mezi 8bitovými a 32bitovými systémy. Dokáže zpracovávat 32bitové data a instrukce, které pak převádí na 8bitovou sběrnici a periférie. Proto se skvěle uplatní při modernizaci již existujících aplikací bez výraznějších zásahů do obvodů. Přinaší tak výkon 32bitového systému při zachování 8bitové jednoduchosti. Tyto procesory jsou pinově kompatibilní s rodinou mikrokontrolérů S08 (což jsou právě 8bitové MCU).
• V2 - toto jádro poskytuje rychlost až 166 MHz je vyrobeno 0.13 ?m technologií a používá 32bitovou sběrnici jak pro data tak pro instrukce. Dále pak obsahuje integrovanou jednotku pro odlaďování aplikace (debugging) dvou-stupňovou fetch pipeline pro instrukce a dvou-stupňovou execution pipeline pro operandy matematických a logických operací.
• V3 - jádro verze 3 přináší novinky zdokonalená instrukční prefetch pipeline, stochastické schopnosti větvení programu (funkce předpovědi následující instrukce) a vyšší frekvenci prováděných instrukcí. Tato zlepšení umožňují jádru  poskytnout až  o 300% výce výkonu než jádro V2 a to i při navýšení frekvence jádra o méně jak 50%. Dále pak nabízí vylepšení dosavadních funkcí jako je vysoko-rychlostní multiply-accumulate unit (MAC unit), vyhrazená hardwarová dělička a rozšířené ladící schopnosti.
• V4 - tato generace mikroarchitektury poskytuje 2.8x větší výkon v porovnání s předcházející verzí V3. I zde se opět modernizovaly funkční bloky jako je MAC jednotka, debuggovací jednotka. Zvětšila se velikost jádra na 4.5mm² při výrobní technologii 0.25 ?m. Původní 2fázové pipelines se zvětšili na 4fázovou Instruction Fetch Pipeline a 5fázovou Operand Execution Pipeline. Výhodou tohto jádra je i to, že naprostá většina instrukcí jsou 1cyklová. Instruction fetch pipeline dále obsahuje 2stupňový akcelerační mechanismus, který nadále zmenšuje dobu potřebnou na provádění změn.
• V4e - jádro s tímto označením bylo navrženo pro poskytnutí hardwarové podpory pro multi-procesorové aplikace které vyžadují vysoký výpočetní výkon který nemůže jednočipové řešení nabídnout.  Jako výrobní technologie byla použita 0.18 ?m a jádro s těmito parametry může běžet až na 225 MHz jsou i varianty vyráběné 0.13 ?m technologií kde rychlost jádra dosahuje hodnoty 333 MHz.
• V5 - technologicky minimalně rozdílné od jádra V4e, poskytuje však 1.3x - 1.4x větší výkon při stejné výrobní technologii. Frekvence jádra 300 - 366 MHz.

Road map produktů ColdFire:

Stručný přehled jednotlivých typů procesorů ColdFire:

Závěr: 

Úkolem dnešního článku nebylo zevrubně popisovat každý procesor z rodiny ColdFire, ale spíše nastínit jejich možnosti a vlastnosti spíše obecně. Každý jednotlivý typ se pak liší ve více či méně parametrech. V některém z příštích článků si popíšeme softwarovou a hardwerovou podporu pro tyto procesory a praktické možnosti použití. Stejně tak si uvedeme srovnání s některými konkurenčními platformami jako je např.: ARM, PowerPC aj. Je nutností podotknout, že procesory s jádry ColdFire jsou nasazovány prakticky do všech odvětví elektroniky počínaje přístroji pro zdravotnictví, potravinářství, automatizaci, domácí spotřebiče, spotřební elektroniku, mediální přehrávače, televize, rádia, set-top boxy, digitální videokamery, mobilní telefony,  a spousty a spousty jiných. Na závěr bych se rád zmínil že, cenová strategie společnosti Freescale podporuje svobodný vývoj aplikací s těmito procesory, díky jejich dobrému poměru cena/výkon. Důkazem toho je i to, že většinu z komponent lze objednat jako vzorky přímo z domovské stránky výrobce a co je důležitější zdarma i s dopravou.

Odkaz a Download:

• Domácí stránky výrobce: http:/www.freescale.com
• Road map rodiny ColdFire
• Přehled produktů ColdFire