采用分而治之的方法設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)

　　主控制器和從控制器

　　最基本的原理就是：用主控制器進(jìn)行集中決策，再交由從控制器分別執(zhí)行。在最為復(fù)雜的系統(tǒng)中，這種方法必不可少，并能夠自動執(zhí)行。比如，手機(jī)中的主處理器用于決定屏幕的顯示內(nèi)容以及外設(shè)(如LCD顯示控制器或無線電收發(fā)器)需要完成的工作，而不會直接控制顯示的各個(gè)像素或是無線電的編/解碼。主控制器將告知顯示器需要顯示什么信息，并由顯示器來決定如何顯示；同樣，主控制器向收發(fā)器提供需要編碼的音頻信號，而收發(fā)器則提供解碼后的信號。

　　在其他嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)的劃分或許不那么明顯，但基本思想都是相同的。如果一個(gè)中央主控制器能夠與遠(yuǎn)程從設(shè)備以及本地設(shè)備進(jìn)行通信，那么整個(gè)系統(tǒng)中就可以有統(tǒng)一的控制。另外，為了使一個(gè)分布式系統(tǒng)獲得成功，需要對接口作明確的定義。

　　雖然微控制器有許多標(biāo)準(zhǔn)的通信方法，但在主/從嵌入式系統(tǒng)中，最常用的是RS23 2串行接口、SPI和I2C。采用這些通信接口的從設(shè)備包括較低級的ADC、DAC、串行EEPROM、各類數(shù)字I/O，以及較高級的電壓排序和監(jiān)控器件以及閉環(huán)風(fēng)扇控制器等。

　　將任務(wù)分而治之

　　在目前嵌入式市場的從器件以及可被用作主控制器或定制從控制器的微控制器中，比較流行的通信方法是I2C。這主要是由于I2C價(jià)格較低，只需雙線/引腳和兩個(gè)上拉電阻器即可構(gòu)成，并且簡單易用。就分布式嵌入系統(tǒng)而言，I2C(400kHz)往往是最佳選擇。

　　將任務(wù)分而治之的關(guān)鍵在于：簡單的問題要比復(fù)雜的問題更加容易解決。此外，將器件彼此分開可以減少它們之間的耦合，并提高系統(tǒng)的可靠性。如果能夠正確地分配功能、定義接口，就可以避免普遍存在的一些故障。最后，如果能夠很好地利用自己的經(jīng)驗(yàn)，則在劃分任務(wù)的過程中就將能產(chǎn)生許多可重用的設(shè)計(jì)，從而使得工程師在設(shè)計(jì)下一個(gè)項(xiàng)目時(shí)不用從頭開始。

　　實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分而治之需要依靠一根通信總線，在有些情況下，總線會影響到某些主控制器/從控制器的特性。在本文中使用I2C作為總線，是因?yàn)橹С衷摽偩€的器件比較普遍，而且測試和調(diào)試I2C所需的外部工具價(jià)格較低或比較容易創(chuàng)建。

　　這種主控制器/從控制器的原理在任何嵌入式設(shè)計(jì)中都是以相同的方法來處理的。首先，確定需要集中做出那些決策，并將它們分配給主控制器；然后把具體操作分配給從控制器去執(zhí)行。關(guān)鍵在于如何進(jìn)行任務(wù)的劃分。一種高效的策略是：不要讓主控制器因?yàn)槿魏问虑槎サ却硞€(gè)從控制器；如果從控制器需要主控制器提供某些信息，它必須先呼叫主控制器。在有些情況下，這種方法還需要一根中斷線，以使從控制器能夠呼叫主控制器。

　　采用I2C I/O擴(kuò)展器件的面板控制器

　　本文在一個(gè)控制設(shè)備面板的系統(tǒng)中采用了該方法，面板由按鈕、開關(guān)和LED組成。在該面板系統(tǒng)中，主控制器是負(fù)責(zé)管理該系統(tǒng)的主處理器，如嵌入式的Windows或Linux計(jì)算機(jī)；從控制器為I2C總線連接I/O擴(kuò)展器。

　　通過讓主處理器在上電時(shí)對I/O擴(kuò)展器進(jìn)行配置，按鈕/開關(guān)檢測輸入和LED狀態(tài)輸出將被傳至主處理器。任何一個(gè)具有I2C總線的處理器都可以是主控制器，它對設(shè)備進(jìn)行軟件配置，并可以方便地改變按鈕和LED的配置。

　　這種簡單的系統(tǒng)如圖1所示。圖中藍(lán)色的圓圈代表按鈕輸入，紅色和綠色形狀代表LED。在設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)小的I2C I/O擴(kuò)展器，是為了實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)的模塊化，把輸入子系統(tǒng)的變化與輸出子系統(tǒng)分隔開。當(dāng)在主控制器中進(jìn)行決策時(shí)，可使某一特定功能的變化不影響到其他的功能。

圖1 面板系統(tǒng)簡圖

　　而且，由于所有的控制功能都由主控制器完成，因此系統(tǒng)中的硬件部分很簡單，而且易于改變。但這種簡單的方法也有缺點(diǎn)，當(dāng)希望增加一個(gè)用于調(diào)節(jié)LED亮度的環(huán)境光傳感器時(shí)，增加的工作負(fù)擔(dān)將全部由主控制器來承擔(dān)，它要保證所有的從控制器能夠適應(yīng)設(shè)計(jì)變化，并正常工作。但其實(shí)主控器只需要知道按鈕的狀態(tài)，并控制LED的接通和關(guān)斷。

　　設(shè)計(jì)定制的I2C從控制器件

　　在圖1的系統(tǒng)中，所有的邏輯信息都存儲在主控制器中，一切變化都要通過主控制器完成。作為替代方案，可以定義一個(gè)面板接口，并將所有的細(xì)節(jié)問題交給一個(gè)分布式的從控制器系統(tǒng)來處理，這樣可減少主處理器的負(fù)擔(dān)，如圖2所示。

圖2 采用定制從器件的面板系統(tǒng)

    設(shè)計(jì)定制器件時(shí)應(yīng)采用定義了穩(wěn)定協(xié)議和接口且經(jīng)過驗(yàn)證的I2C從控制器實(shí)現(xiàn)方案，最常用的協(xié)議是目前大多數(shù)I2C從控制器件所采用的、基于寄存器的協(xié)議。相關(guān)概要信息如下：

　　對于I2C，所有的事務(wù)處理均由主控制器啟動；

　　每個(gè)從器件都具有一個(gè)I2C 7位地址(最低有效位表明事務(wù)處理是“讀”還是“寫”)；


　　每個(gè)從器件都具有一個(gè)內(nèi)部地址寄存器，用于存儲一個(gè)指向包含了數(shù)據(jù)、命令或狀態(tài)信息的內(nèi)部表指針；

　　每個(gè)從器件均定義了其寄存器的地址及其功能，指明它們是只讀型的還是讀/寫型的；

　　一個(gè)寫處理事務(wù)由一個(gè)具有I2C器件7位地址和寫操作位的字節(jié)以及一個(gè)位于其后的、用于設(shè)定內(nèi)部地址寄存器的字節(jié)組成，如果在處理事務(wù)中有更多的字節(jié)，則它們將被寫入以新設(shè)定的內(nèi)部地址為起點(diǎn)的從器件；

　　一個(gè)讀處理事務(wù)由一個(gè)具有I2C器件7位地址和讀操作位的字節(jié)以及一個(gè)位于其后的主控制器組成，該主控制器用于記錄從器件的字節(jié)數(shù)，并在結(jié)束時(shí)提供停止信號。由此可見，I2C從控制器與雙端口RAM很相似，非常易于使用。

　　接下來要選擇可編程器件，賽普拉斯公司推出的微控制器件PSoC擁有處理大多數(shù)I2C從控制器所需的全部功能，并提供了一種易用的工具，從而簡化了增加I2C從控制器的工作，只需“拖、放、選擇地址”即可。

　　首先，定義一個(gè)按鈕輸入的從器件，創(chuàng)建一個(gè)具有3個(gè)地址引腳和7個(gè)按鈕輸入的器件，并通過配置使之接受一個(gè)靠近5V直流系統(tǒng)電源的常開開關(guān)。按鈕狀態(tài)將在一個(gè)由I2C主控制器進(jìn)行存取的單字節(jié)中提供。

　　其次，定義用于控制LED的從器件，創(chuàng)建一個(gè)具有2個(gè)地址引腳并能夠以10mA的電流來驅(qū)動8個(gè)LED(分為4紅4綠)的器件。定義被稱為“Command”的單字節(jié)用于執(zhí)行I2C的命令輸入，以控制LED。該字節(jié)的4個(gè)低位用于控制紅光LED，而4個(gè)高位則負(fù)責(zé)控制綠光LED。

　　接下來，還可以更加細(xì)致地定義定制I2C主控制器/從控制器的接口，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從控制級的客戶化設(shè)計(jì)。如果想把系統(tǒng)主控制器從一個(gè)輪詢器件變?yōu)橐粋€(gè)接收報(bào)警信號的中斷器件時(shí)，則可以給按鈕輸入設(shè)備增加一根輸出線。這些改動能夠進(jìn)一步地把主系統(tǒng)處理器與低級設(shè)備相隔離，并提供了在不影響主系統(tǒng)的情況下繼續(xù)改善子系統(tǒng)的更大靈活性。

　　將分而治之的概念推廣到所有的通信總線

　　本文所討論和說明的概念可適用于任何的總線類型，需要做的是定義滿足各種不同需要的協(xié)議，以最大限度地縮短無線、便攜系統(tǒng)中的傳輸時(shí)間，或是在苛刻的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)完善的檢錯(cuò)/糾錯(cuò)。

　　主控制器可以被稱為集線器，從控制器可以被看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)并具有預(yù)定的響應(yīng)時(shí)間，但是，分而治之的思想仍然適用：把普通、重復(fù)的測量和低級控制分配給級別最低的點(diǎn)，而將重要的工作留給系統(tǒng)控制器來完成。另外，在各種情況下都必須建立功能強(qiáng)大、精確定義的接口，以便為下一級的設(shè)計(jì)留出一定的自由度，在不影響較高級設(shè)備的情況下方便地改變設(shè)計(jì)方案。