釋放嵌入式控制器中的CPU資源

本文介紹了一種采用PLD和數(shù)據(jù)通路(datapath)來解放微控制器系統(tǒng)中CPU任務(wù)的方案。在大多數(shù)微控制器結(jié)構(gòu)中，智能的CPU身邊總會(huì)環(huán)繞著一系列不可編程的外設(shè)。外設(shè)的功能有限，通常它們只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換。例如，I2C外設(shè)只是實(shí)現(xiàn)串行和并行數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換，而ADC則實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。CPU因此不得不完成所有的數(shù)據(jù)處理工作，實(shí)際上它還能做些更有用的事情。此外，管理外設(shè)將會(huì)導(dǎo)致CPU固件異常復(fù)雜，并可能需要一個(gè)快速高效的CPU在實(shí)時(shí)的時(shí)序限制下執(zhí)行這些固件。這又會(huì)導(dǎo)致更多的潛在程序漏洞，從而需要使用更復(fù)雜和昂貴的調(diào)試設(shè)備等。

但是如果外設(shè)具備足夠的復(fù)雜度、靈活度與智能，是否能有效地減輕CPU的許多任務(wù)呢？復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以通過結(jié)構(gòu)重建，變?yōu)橐唤M分布在CPU和外設(shè)中間的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。CPU將可以執(zhí)行更少的任務(wù)，或進(jìn)行更少的中斷處理，從而使程序漏洞更容易被發(fā)現(xiàn)和修正。整體設(shè)計(jì)將使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，并且便于復(fù)用部分設(shè)計(jì)。CPU處理任務(wù)減少就可以運(yùn)行在較低的速度，從而降低功耗，或者這些額外可用帶寬可用來實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)部規(guī)劃的下一代產(chǎn)品。然而，外設(shè)設(shè)計(jì)仍需具成本效益，否則整個(gè)微控制器可能變得太貴。本文將展示如何把智能、靈活、低成本、可定制的數(shù)字外圍設(shè)備設(shè)計(jì)到微控制器并配置，以幫助實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

智能邏輯選擇—PLD還是數(shù)據(jù)通路？

通常有兩種方法構(gòu)建一個(gè)智能的可配置外設(shè)。首先是使用PLD。如圖1所示，PLD有一個(gè)驅(qū)動(dòng)若干宏單元的積和(sum of products)邏輯門陣列。“T”和“C”符號(hào)表示每一個(gè)乘積項(xiàng)都能產(chǎn)生一個(gè)真值或補(bǔ)數(shù)(反向)輸出，這樣無論是正、負(fù)邏輯都可以支持。

圖1：一個(gè)PLD實(shí)例(包括12個(gè)輸出項(xiàng)、8個(gè)乘積項(xiàng)、4個(gè)宏單元)。

圖1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的PLD例子。PLD可以有成百上千的宏單元，每個(gè)宏單元最高由16個(gè)乘積項(xiàng)驅(qū)動(dòng)。乘積項(xiàng)里的與門和或門可以互聯(lián)形成高度靈活的定制邏輯功能。宏單元是典型的時(shí)鐘架構(gòu)，它們的輸出可以反饋到乘積項(xiàng)陣列，因此允許創(chuàng)建狀態(tài)機(jī)。

大規(guī)模PLD可以用來形成復(fù)雜的邏輯功能，甚至是完全的CPU，因此PLD當(dāng)然可以用來實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字外設(shè)。然而，很多門可能只是實(shí)現(xiàn)諸如計(jì)數(shù)器或加法器等簡(jiǎn)單的邏輯功能，但對(duì)于更復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)，基于PLD的方案就會(huì)變得很貴。從某種程度上說，使用真正的CPU會(huì)更合理。

CPU的一個(gè)非常簡(jiǎn)單的形式是基于算術(shù)邏輯單元(ALU)的數(shù)據(jù)通路，也稱為納米處理器(nano-processor)。數(shù)據(jù)通路只是實(shí)現(xiàn)幾個(gè)常用函數(shù)，但會(huì)比使用PLD實(shí)現(xiàn)的效率更高。圖2：顯示了一個(gè)基于ALU的簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通路。典型的ALU可以進(jìn)行各種操作，通常是8位操作：向上計(jì)數(shù)(遞增)、向下計(jì)數(shù)(遞減)、加、減、邏輯與、邏輯或、邏輯異或，左位移、右位移。這里有兩個(gè)8位累加器，它們能夠?yàn)锳LU輸出充當(dāng)輸入數(shù)據(jù)寄存器或存儲(chǔ)器。一個(gè)輸入時(shí)鐘信號(hào)沿產(chǎn)生一次操作。函數(shù)選擇寄存器用來控制：

圖2：基于ALU的數(shù)據(jù)通路。

* 產(chǎn)生什么操作。

* 該操作的源寄存器。

* 輸出的目的寄存器。

根據(jù)數(shù)據(jù)通路的具體設(shè)計(jì)，其可能會(huì)做一系列復(fù)雜操作，如表1顯示。


表1：數(shù)據(jù)通路函數(shù)的實(shí)現(xiàn)舉例。

這個(gè)函數(shù)選擇模塊實(shí)際上可以是一個(gè)小容量的SRAM，預(yù)加載所需的函數(shù)選擇位，SRAM的地址線可以用來選擇運(yùn)行哪個(gè)操作。最后，多數(shù)據(jù)通路可以用進(jìn)位和移位信號(hào)鏈在一起，以便可以進(jìn)行多字節(jié)操作數(shù)。

由于數(shù)據(jù)通路只有少數(shù)特定功能函數(shù)，很容易優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此其創(chuàng)建成本較低。然而，對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯，數(shù)據(jù)通路遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有PLD那么靈活。那么，對(duì)于創(chuàng)建智能、靈活、低成本的數(shù)字外設(shè)來說，哪一種方法是更好的呢？是PLD還是數(shù)據(jù)通路？答案是，將兩者相結(jié)合。下面是一個(gè)實(shí)例，來看看是如何實(shí)現(xiàn)的。

通用數(shù)字模塊

同時(shí)使用PLD和數(shù)據(jù)通路的系統(tǒng)實(shí)例是賽普拉斯半導(dǎo)體的PSoC3和PSoC5芯片。每個(gè)系統(tǒng)包含最高24個(gè)通用數(shù)字邏輯子系統(tǒng)，稱為通用數(shù)字模塊(UDB)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。一個(gè)UDB包含兩個(gè)圖1所示的PLD，一個(gè)數(shù)據(jù)通路以及狀態(tài)機(jī)和控制寄存器。有兩個(gè)鏈路路徑，一個(gè)用于PLD，一個(gè)用于數(shù)據(jù)通路。由一個(gè)路由通道來連接各UDB子塊之間以及UDB之間的信號(hào)。PLD配置、數(shù)據(jù)通路和路由通過寫入U(xiǎn)DB配置寄存器來實(shí)現(xiàn)。

UDB的PLD設(shè)計(jì)在圖1中進(jìn)行了描述。如圖4，UDB數(shù)據(jù)通路類似于圖2所示的基本的數(shù)據(jù)通路，但是它更精密復(fù)雜，因?yàn)閾碛懈嗉拇嫫骱透嗟墓δ堋?/p>

圖4：UDB數(shù)據(jù)通路框圖。

* 8位ALU可以實(shí)現(xiàn)所有的七個(gè)基本函數(shù)—遞增、遞減、加、減、與、或以及異或，并且它有單獨(dú)的位移和位掩碼模塊來進(jìn)行ALU結(jié)果后處理(8位ALU傳輸功能只需通過ALU傳送一個(gè)值到位移和位掩碼模塊)。位移模塊可以做左位移、右位移、半字節(jié)交換和傳輸。掩碼模塊可以和單獨(dú)的掩碼寄存器里的內(nèi)容逐位相與(圖中未顯示)。

* 操作可以使用兩個(gè)累加器(A0，A1)和兩個(gè)數(shù)據(jù)寄存器(D0，D1)來完成。兩個(gè)FIFO寄存器(F0、F1)可用來在數(shù)據(jù)通路和CPU之間傳輸數(shù)據(jù)。FIFO深度可達(dá)4字節(jié)。這一結(jié)構(gòu)可以使多任務(wù)處理變得簡(jiǎn)單；在不同的時(shí)間，獨(dú)立操作可以在寄存器子集完成。例如，A0、D0、F0可以用于一個(gè)任務(wù)，而A1、D1、F1則可用于不同的任務(wù)。

* 廣泛的狀態(tài)條件(例如：比較、零檢測(cè)、所有個(gè)體檢測(cè)、溢出檢測(cè))可以應(yīng)用到累加器，數(shù)據(jù)寄存器，以及路由到器件其它地方。

靈活的路由

雖然UDB在PLD和數(shù)據(jù)通路兩個(gè)子系統(tǒng)都有很多特色，但廣泛的數(shù)字路由讓它們?nèi)缁⑻硪?。信?hào)可以在PLD和數(shù)據(jù)通路之間路由，遍及整個(gè)UDB和器件的其它地方，形成了復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)互連(DSI)結(jié)構(gòu)。

實(shí)例

本例中，用一個(gè)UDB數(shù)據(jù)通路來創(chuàng)建一個(gè)帶重載(reload)功能的8位數(shù)字計(jì)數(shù)器。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，連接一個(gè)狀態(tài)條件回到控制存貯SRAM地址線，如圖5所示。

圖5：用UDB數(shù)據(jù)通路創(chuàng)建帶重載功能的計(jì)數(shù)器。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，A0是計(jì)數(shù)寄存器，D0是重載寄存器。需要兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)用來遞減計(jì)數(shù)，一個(gè)從周期寄存器重載計(jì)數(shù)器；這些函數(shù)在控制儲(chǔ)存RAM里預(yù)載了。

邏輯如下：當(dāng)A0不為0時(shí)，狀態(tài)輸出將會(huì)變低，在地址0會(huì)執(zhí)行遞減操作。當(dāng)A0為0時(shí)，狀態(tài)輸出將為高，在地址1會(huì)執(zhí)行重載操作。

所有操作都發(fā)生在時(shí)鐘輸入的上升沿，可以記錄時(shí)鐘沿?cái)?shù)量。時(shí)鐘輸入可以來自各種時(shí)鐘源。狀態(tài)輸出可以通過DSI路由，包括到DMA和中斷請(qǐng)求輸入。使用數(shù)據(jù)通路鏈和掩碼模塊，該計(jì)數(shù)器的大小可以是任何位數(shù)，不受限于8的倍數(shù)。

圖5所示為減法計(jì)數(shù)器。它可以很容易的轉(zhuǎn)換成加法計(jì)數(shù)器，可以通過使用不同的狀態(tài)輸出(A0= =D0)和控制存儲(chǔ)SRAM里的不同函數(shù)：A0=A0+1和A0=A0A0。異或任何值的結(jié)果永遠(yuǎn)為0。

通過使用PLD這個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)可以創(chuàng)造更復(fù)雜的應(yīng)用。以一個(gè)紅綠燈控制器為例，紅綠燈控制器周期由綠、黃、紅三種狀態(tài)構(gòu)成，因此需要一個(gè)狀態(tài)機(jī)。每個(gè)狀態(tài)變化到下一個(gè)狀態(tài)之前會(huì)持續(xù)一定時(shí)間，所以必需有一個(gè)計(jì)數(shù)器。為了簡(jiǎn)單起見，假設(shè)“綠燈”時(shí)間和“紅燈”是相同，但“黃燈”時(shí)間不同。

只需要使用3個(gè)數(shù)據(jù)通路寄存器(假設(shè)為8位計(jì)數(shù)值)就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)時(shí)序結(jié)構(gòu)。A0為計(jì)數(shù)寄存器，D0為“綠”和“紅”狀態(tài)保持計(jì)數(shù)器重載值，D1為“黃”狀態(tài)保持計(jì)數(shù)器重載值。模塊框圖如圖6顯示。

圖6：采用UDB PLD和數(shù)據(jù)通路構(gòu)建的紅綠燈控制器框圖

要保存在控制存儲(chǔ)RAM里的操作是：

A0 = A0 - 1 // 計(jì)數(shù)

A0 = D0 // 重載“綠”或“紅”

// 計(jì)數(shù)值

A0 = D1 //重載“黃”值

狀態(tài)機(jī)在PLD里實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通路條件輸出反饋到PLD，以表明需要改變狀態(tài)了。PLD也有這樣的邏輯，根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和從數(shù)據(jù)通路反饋的信號(hào)，控制執(zhí)行哪個(gè)數(shù)據(jù)通路操作和哪個(gè)燈要點(diǎn)亮。

超越基礎(chǔ)

紅綠燈控制器是一種簡(jiǎn)單的應(yīng)用類型，通常使用CPU編程。然而，我們已經(jīng)看到，除了初始化代碼，這個(gè)功能可以完全和CPU沒關(guān)系而可以由智能的可配置外設(shè)完成。這個(gè)功能可以很容易地?cái)U(kuò)展以支持附加需求，例如轉(zhuǎn)換信號(hào)、行人行走信號(hào)、車輛檢測(cè)傳感器、流量/緊急事件轉(zhuǎn)發(fā)器。

CPU需要做什么

通過使用PLD和數(shù)據(jù)通路的有效組合，可以創(chuàng)建智能的、靈活的、低成本的外設(shè)，以減輕CPU的負(fù)擔(dān)。然而，如果這么多的功能都由外設(shè)處理了，那還留著CPU做什么呢？在許多情況下，CPU不需要做很多事，在某些情況下系統(tǒng)初始化后，CPU就可以關(guān)掉了。不過，更實(shí)用的方案是使用CPU做CPU能做得最好的事情，例如：

* 復(fù)雜的計(jì)算

* 字符串和文本處理

* 數(shù)據(jù)庫(kù)管理

* 通信管理

* 系統(tǒng)管理

例如，在我們的紅綠燈應(yīng)用中，CPU可以用于以下幾個(gè)方面：

* 檢測(cè)車輛闖紅燈

* 使用相機(jī)拍攝牌照

* 從照片上提取車牌文字信息

* 從國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù)中查閱車主信息，以及向車主發(fā)送罰單

通過由智能外設(shè)完成很多任務(wù)，CPU可以輕松地去做更有價(jià)值的任務(wù)。