實(shí)現(xiàn)8位微控制器升級(jí)至32位的關(guān)鍵

現(xiàn)今基于嵌入式微控制器 (MCU) 的應(yīng)用對(duì)功能的要求不斷增多，例如，電機(jī)控制必須具有更高的能源效率;以往獨(dú)立的應(yīng)用也必須聯(lián)網(wǎng)。在這種情況下，對(duì)微控制器的性能和存儲(chǔ)容量的要求也大為提高。對(duì)一些應(yīng)用而言，解決的方法就是從8位或16位MCU升級(jí)至32位。這樣一來，雖然性能得以提高，但也可能導(dǎo)致單元成本、系統(tǒng)復(fù)雜性以及軟件開發(fā)成本的增加。本文將討論如何通過系統(tǒng)集成將8位功能加入至32位系統(tǒng)中，以及提供功能強(qiáng)大的低成本開發(fā)工具，從而加快這種升級(jí)過程。

　　通過提升制造技術(shù)可以降低單元成本。不過，除非32位MCU具備和8位或16位系統(tǒng)相若的系統(tǒng)集成度，否則這些優(yōu)點(diǎn)都將因?yàn)榧尤胪獠科骷某杀径还P勾銷。高性能系統(tǒng)獨(dú)有的高速緩存等往往令系統(tǒng)變得復(fù)雜。但是對(duì)那些正在升級(jí)至 32 位系統(tǒng)的典型實(shí)時(shí)控制應(yīng)用而言，這些并不是必需的功能。雖然，把現(xiàn)有代碼移植到新一代更高性能微控制器的成本是無法省去的，但為了減少整體所需的工作量，可以通過開發(fā)工具的設(shè)計(jì)來推動(dòng)這種升級(jí)過程。

　　市場趨勢：轉(zhuǎn)向32位MCU

　　根據(jù)Gartner Dataquest公司統(tǒng)計(jì)，在過去10年間，32位微控制器在MCU市場的營業(yè)額從零開始增長到了近25%，目前的增長率高于8位或16位系統(tǒng)。而且，隨著眾多配備了針對(duì)特定市場領(lǐng)域，如汽車市場等的功能集的器件不斷涌現(xiàn)，MCU 市場正在逐步分化。 從8位和16位MCU升級(jí)至 32位架構(gòu)的重點(diǎn)是深度嵌入式實(shí)時(shí)控制應(yīng)用。

　　此外，目前產(chǎn)業(yè)界還出現(xiàn)了一個(gè)明顯趨勢，就是ARM RISC處理器正逐漸成為32位MCU的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一如當(dāng)初8051架構(gòu)是8位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，ARM 在32位嵌入式RISC MCU市場的占有率達(dá) 75%，截至2005年1月，ARM各合作伙伴已付運(yùn)超過25億片的的ARM 內(nèi)核的MCU。

　　成本：技術(shù)和整合度的考慮

　　采用當(dāng)前0.18μm的工藝技術(shù)，生產(chǎn)一塊包含有一個(gè)32位RISC處理器、標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備和一個(gè)小容量閃存的單芯片成本并不昂貴，但對(duì)于8位應(yīng)用而言，單憑此尚不足夠。從8位微控制器升級(jí)的應(yīng)用需要有更高水平的系統(tǒng)集成度 (見圖1)，來滿足整體的系統(tǒng)成本預(yù)算。而且，這種整合度必須讓32位系統(tǒng)具有8位片上系統(tǒng)的基本功能。

　　32位器件必須采用單電源工作;集成大電流驅(qū)動(dòng) I/O 和收發(fā)器;控制系統(tǒng)上電;通過低成本晶振生成系統(tǒng)時(shí)鐘;而且其 I/O上應(yīng)具有可編程上拉電阻 (pull-up)。此外，32位器件還應(yīng)確保在任何環(huán)境下應(yīng)用的行為都可以預(yù)測，這需要一個(gè)節(jié)電檢測器 (brown-out detector)、一個(gè)可編程監(jiān)視器，以及一個(gè)集成RC振蕩器，而毋需高速緩存和閃存加密位 (lock bit)。

　　從8位升級(jí)至 32位系統(tǒng)時(shí)的性能要求

　　嵌入式閃存的訪問時(shí)間

　　基于8位微控制器的應(yīng)用一般是以控制為主導(dǎo) (control-driven) 的，要求對(duì)外部事件的確定過程式 (deterministic) 響應(yīng)和可預(yù)測的響應(yīng)時(shí)間。然而，用來加快對(duì)緩慢非易失性儲(chǔ)存媒介之存取速度的高速緩存卻不是決定性的，因此對(duì)于那些對(duì)時(shí)間要求嚴(yán)格的應(yīng)用來說是不可接受的。提高實(shí)時(shí)性能又不增加成本的惟一方法，就是加快對(duì)嵌入式閃存的存取速度。

　　目前產(chǎn)業(yè)界的0.18μm工藝技術(shù)能在30MHz的ARM微控制器上進(jìn)行單周期內(nèi)訪問，原始性能可達(dá)27MIPS，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的一般 8位微控制器。

　　提高中斷處理能力

　　實(shí)時(shí)控制應(yīng)用一般是采用中斷驅(qū)動(dòng)，利用多個(gè)中斷源和規(guī)定每一中斷時(shí)間內(nèi)所需的響應(yīng)來進(jìn)行?；镜腁RM架構(gòu)有一個(gè)弱點(diǎn)，就是它的中斷處理機(jī)制很簡陋，沒有中斷優(yōu)先所需的硬件裝置。這時(shí)便需要一種裝置來增強(qiáng)中斷能力，如圖2所示。它提供一組帶有 8 個(gè)優(yōu)先級(jí)別之可獨(dú)立屏蔽的向量式中斷源。永久存儲(chǔ)在SRAM中的基本中斷處理程序負(fù)責(zé)分配中斷的優(yōu)先級(jí)級(jí)別，然后執(zhí)行一條指令，利用中斷號(hào) (每一中斷源均獲發(fā)一個(gè)獨(dú)有編號(hào)) 作為偏移量 (offset)，把用于所需中斷服務(wù)程序的向量直接裝載入程序計(jì)數(shù)器 (Program Counter)。這種簡單有效的機(jī)制能夠確保在最少數(shù)目的指令周期內(nèi)，把控制傳送到所需的中斷服務(wù)程序中。