牛人工程師與PIC32一個(gè)月發(fā)生的研發(fā)故事

　　在早期的一些日子里，我的好奇心促使我想知道PIC32究竟帶來(lái)什么好性能。在我的16位器件一書(shū)的第四章中，即“Numb3rs”，我對(duì)執(zhí)行基本的算術(shù)運(yùn)算所需的指令周期數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并將它們與各類整數(shù)和浮點(diǎn)類型進(jìn)行了比較。這在時(shí)鐘周期與所執(zhí)行的指令密切相關(guān)的場(chǎng)合，如PIC24和dsPIC DSC內(nèi)核中那樣，這種方法是合理的。但在PIC32內(nèi)核中，由于采用了MIPS的傳統(tǒng)，為“比賽”增加了“難度”。每個(gè)時(shí)鐘周期所執(zhí)行的指令是可變的，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行代碼快于閃存額定速度(每30MHz只插入一個(gè)時(shí)鐘周期)時(shí)可以插入等待狀態(tài)，或者可以無(wú)關(guān)，這要?dú)w功于預(yù)取狀態(tài)機(jī)(能夠一次預(yù)取四條指令)。最后，激活一個(gè)高速緩存，進(jìn)一步改進(jìn)了高速性能。

　　PIC32的高速緩存使得周期數(shù)有點(diǎn)不可預(yù)測(cè)，也許變得沒(méi)有意義。我好像覺(jué)得我從貨物推車一下子升級(jí)到了一級(jí)方程式賽車一樣!于是，我決定需要在32位器件一書(shū)中增加一章關(guān)于PIC32的性能調(diào)整內(nèi)容。為了給PIC32加上重載荷，我找到我在大學(xué)讀書(shū)時(shí)學(xué)習(xí)基本數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)老代碼程序：即快速付里葉變換。我采用的是標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有手工和編譯器優(yōu)化。另外還用了一個(gè)32 位定時(shí)器，讓PIC32自己計(jì)時(shí)，隨后我逐步地開(kāi)始選用一些新的程序選項(xiàng)。

　　開(kāi)始時(shí)，我激活指令預(yù)取，然后我找到高速緩存，再隨后我通過(guò)人工方式調(diào)整等待狀態(tài)。一開(kāi)始性能改善極大，并且隨著之后對(duì)配置進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)調(diào)，性能改善更多。最終，我意識(shí)到最佳的配置必須隨應(yīng)用定制，但必須由標(biāo)準(zhǔn)器件庫(kù)中的SYSTEMConfigPerformance()提供一個(gè)好的起點(diǎn)。

　　學(xué)習(xí)外設(shè)庫(kù)

　　這是我第一次使用“標(biāo)準(zhǔn)”外設(shè)庫(kù)，也是這種愛(ài)/恨關(guān)系的開(kāi)始。由于我在非常小型的8位器件上使用匯編進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)已經(jīng)許多年了，且通常都是需要采用手工優(yōu)化客戶代碼，我基本上都是自己親自工作，最終我開(kāi)發(fā)出了一些自己的器件庫(kù)。

　　這一次，在投放PIC32產(chǎn)品之前一年多的時(shí)間，我不僅移植了16位器件的庫(kù)，還對(duì)它們進(jìn)行了擴(kuò)展來(lái)支持一系列新功能。我沒(méi)有更多的理由-唯一理由就是我自己必須掌握并學(xué)會(huì)如何使用它們。參見(jiàn)用于一個(gè)使用該外設(shè)庫(kù)的程序代碼段的Listings1和2，見(jiàn)圖2。

　　圖2：代碼移植時(shí)用于一個(gè)使用該外設(shè)庫(kù)的程序代碼段的Listings1和2。

　　通過(guò)利用這個(gè)新庫(kù)，16位和32位應(yīng)用之間的代碼兼容“絕對(duì)”沒(méi)有問(wèn)題。即便是外設(shè)寄存器上的極小差別也可以通過(guò)應(yīng)用代碼完全消除。實(shí)際上，這使得一個(gè)應(yīng)用在16位器件和32位器件上都可以運(yùn)行，從而開(kāi)發(fā)人員面向兩種架構(gòu)，卻維護(hù)統(tǒng)一的代碼基。

　　不過(guò)，雖然在器件數(shù)據(jù)頁(yè)中對(duì)硬件控制寄存器名稱已有注明(甚至每一位都很詳細(xì))，但卻沒(méi)有所有的功能/宏名及其參數(shù)。很多時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)必須將單個(gè)的包含文件與器件數(shù)據(jù)頁(yè)進(jìn)行比較，嘗試著去猜測(cè)究竟有哪些控制位與一個(gè)特定的庫(kù)參數(shù)相關(guān)。當(dāng)利用最簡(jiǎn)單的庫(kù)(比如I/O端口操作)時(shí)，這是一件特別麻煩的事情，對(duì)我來(lái)說(shuō)，在這里，庫(kù)抽象層的優(yōu)點(diǎn)更值得質(zhì)疑。

　　最終，我發(fā)現(xiàn)可以采取一個(gè)平衡折中。即可以采用傳統(tǒng)的方法訪問(wèn)絕大部分的基本外設(shè) (例如I/O端口和計(jì)時(shí)器)，而在使用更復(fù)雜/新外設(shè)時(shí)才使用庫(kù)。于是，我迅速通過(guò)了有關(guān)代碼的幾個(gè)章節(jié)，實(shí)際上什么都沒(méi)有改。這些章節(jié)包括：SD /MMC接口，F(xiàn)AT16文件I/O甚至包括WAV音樂(lè)文件重放。

　　當(dāng)我決定再深入地研究中斷時(shí)，以及后來(lái)開(kāi)始使用PIC32的新DMA模塊時(shí)，這些庫(kù)的好處就變得很明顯了。

　　PIC32提供兩種中斷選擇：一種是非常類似于PIC16/18 8位架構(gòu)操作方式的單矢量模式(順便指出，與RTOS也更加友好)，另一種是更類似于16位PIC24 MCU和dsPIC DSC工作模式的多矢量模式。利用interrupt.h庫(kù)來(lái)設(shè)置參數(shù)是輕而易舉的事情。

　　是我開(kāi)始嘗試移植第12章中代碼的時(shí)候了：“黑屏”確實(shí)是一件有趣的事情。用PIC24，我能夠演示SPI端口是如何的簡(jiǎn)單，只需要三只電阻器，幾個(gè)中斷，以及一些創(chuàng)新就可以產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合視頻信號(hào)，特別是可以將任意的電視機(jī)轉(zhuǎn)換成單色顯示器。要產(chǎn)生一個(gè)視頻信號(hào)，需要中斷代碼與外設(shè)之間的精密協(xié)調(diào)。實(shí)際上，因?yàn)榧幢闶窃谳敵龆〞r(shí)上只差一個(gè)時(shí)鐘周期，在顯示器屏幕的左側(cè)就會(huì)產(chǎn)生可見(jiàn)的抖動(dòng)(所有的豎直線都變得像鋸齒一樣)，故訓(xùn)練結(jié)果將是用于中斷“決策”的一個(gè)理想放大鏡，這是PIC架構(gòu)傳統(tǒng)上一直出眾的特性。然而不幸的是，根據(jù)定義，指令預(yù)取和存儲(chǔ)器緩存機(jī)制都是非確定的。

　　經(jīng)過(guò)一段苦思冥想，我最終明白了。我在試圖做不應(yīng)該做的事情!32位內(nèi)核是為了提高性能而設(shè)計(jì)的。其使命是C代碼的運(yùn)行盡可能地快，而把實(shí)時(shí)嚴(yán)格的工作留給外設(shè)。特別是，DMA外設(shè)是一個(gè)非常好的工具。

　　最終，我想出了如何利用定時(shí)器直接產(chǎn)生復(fù)合視頻信號(hào)，并將DMA數(shù)據(jù)傳輸同步到SPI端口的方法。這種新方案提供了確定性的定時(shí)，而且還將CPU的開(kāi)銷減少了大約25%到5%。幾個(gè)小時(shí)工作后，我完成了2D和3D視頻演示并運(yùn)行，還加上了動(dòng)畫(huà)，從高清顯示一直到單顯VGA(實(shí)例見(jiàn)圖3和圖4)。

　　圖3：用PIC32所產(chǎn)生的3D圖形。

　　圖4：用PIC32所產(chǎn)生的不規(guī)則幾何圖形。

　　開(kāi)發(fā)PIC32很快變成一件令人上癮的事情，結(jié)果是很好的回報(bào)，那就是讓我完成了一本有關(guān)32位器件新書(shū)的寫(xiě)作之旅!PIC32與早先的16-bit PIC24微控制器的兼容性是那樣的無(wú)縫。這款新的MIPS內(nèi)核的速度和性能給我留下了深刻的印象，大大擴(kuò)展了任何先前的PIC MCU都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用范圍。

　　表1：PIC24F AD1CON寄存器的并排比較。

　　Author：Lucio Di Jasio

　　FAE

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