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任務的方案。在大多數(shù)微控制器結構中，智能的CPU身邊總會環(huán)繞著一系列不可編程的外設。外設的功能有限，通常它們只負責數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換。例如，I2C外設只是實現(xiàn)串行和并行數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換，而ADC則實現(xiàn)模擬到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。CPU因此不得不完成所有的數(shù)據(jù)處理工作，實際上它還能做些更有用的事情。此外，管理外設將會導致CPU固件異常復雜，并可能需要一個快速高效的CPU在實時的時序限制下執(zhí)行這些固件。這又會導致更多的潛在程序漏洞，從而需要使用更復雜和昂貴的調(diào)試設備等。

但是如果外設具備足夠的復雜度、靈活度與智能，是否能有效地減輕CPU的許多任務呢？復雜的設計可以通過結構重建，變?yōu)橐唤M分布在CPU和外設中間的簡單設計。CPU將可以執(zhí)行更少的任務，或進行更少的中斷處理，從而使程序漏洞更容易被發(fā)現(xiàn)和修正。整體設計將使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，并且便于復用部分設計。CPU處理任務減少就可以運行在較低的速度，從而降低功耗，或者這些額外可用帶寬可用來實現(xiàn)市場部規(guī)劃的下一代產(chǎn)品。然而，外設設計仍需具成本效益，否則整個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)字外圍設備設計到微控制器并配置，以幫助實現(xiàn)穩(wěn)定的分布式系統(tǒng)設計。

智能邏輯選擇—PLD還是數(shù)據(jù)通路？

通常有兩種方法構建一個智能的可配置外設。首先是使用PLD。如圖1所示，PLD有一個驅(qū)動若干宏單元的積和(sum of products)邏輯門陣列。“T”和“C”符號表示每一個乘積項都能產(chǎn)生一個真值或補數(shù)(反向)輸出，這樣無論是正、負邏輯都可以支持。

圖1：一個PLD實例(包括12個輸出項、8個乘積項、4個宏單元)。

圖1顯示了一個簡單的PLD例子。PLD可以有成百上千的宏單元，每個宏單元最高由16個乘積項驅(qū)動。乘積項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。宏單元是典型的時鐘架構，它們的輸出可以反饋到乘積項陣列，因此允許創(chuàng)建狀態(tài)機。

大規(guī)模PLD可以用來形成復雜的邏輯功能，甚至是完全的CPU，因此PLD當然可以用來實現(xiàn)智能數(shù)字外設。然而，很多門可能只是實現(xiàn)諸如計數(shù)器或加法器等簡單的邏輯功能，但對于更復雜功能的實現(xiàn)，基于PLD的方案就會變得很貴。從某種程度上說，使用真正的CPU會更合理。

CPU的一個非常簡單的形式是基于算術邏輯單元(ALU)的數(shù)據(jù)通路，也稱為納米處理器(nano-processor)。數(shù)據(jù)通路只是實現(xiàn)幾個常用函數(shù)，但會比使用PLD實現(xiàn)的效率更高。圖2：顯示了一個基于ALU的簡單的數(shù)據(jù)通路。典型的ALU可以進行各種操作，通常是8位操作：向上計數(shù)(遞增)、向下計數(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8位累加器，它們能夠為ALU輸出充當輸入數(shù)據(jù)寄存器或存儲器。一個輸入時鐘信號沿產(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)通路的具體設計，其可能會做一系列復雜操作，如表1顯示。


表1：數(shù)據(jù)通路函數(shù)的實現(xiàn)舉例。

這個函數(shù)選擇模塊實際上可以是一個小容量的SRAM，預加載所需的函數(shù)選擇位，SRAM的地址線可以用來選擇運行哪個操作。最后，多數(shù)據(jù)通路可以用進位和移位信號鏈在一起，以便可以進行多字節(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)化設計，因此其創(chuàng)建成本較低。然而，對于實現(xiàn)復雜的邏輯，數(shù)據(jù)通路遠遠沒有PLD那么靈活。那么，對于創(chuàng)建智能、靈活、低成本的數(shù)字外設來說，哪一種方法是更好的呢？是PLD還是數(shù)據(jù)通路？答案是，將兩者相結合。下面是一個實例，來看看是如何實現(xiàn)的。

通用數(shù)字模塊

同時使用PLD和數(shù)據(jù)通路的系統(tǒng)實例是賽普拉斯半導體的PSoC3和PSoC5芯片。每個系統(tǒng)包含最高24個通用數(shù)字邏輯子系統(tǒng)，稱為通用數(shù)字模塊(UDB)，其結構如圖3所示。一個UDB包含兩個圖1所示的PLD，一個數(shù)據(jù)通路以及狀態(tài)機和控制寄存器。有兩個鏈路路徑，一個用于PLD，一個用于數(shù)據(jù)通路。由一個路由通道來連接各UDB子塊之間以及UDB之間的信號。PLD配置、數(shù)據(jù)通路和路由通過寫入UDB配置寄存器來實現(xiàn)。

UDB的PLD設計在圖1中進行了描述。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，但是它更精密復雜，因為擁有更多寄存器和更多的功能。

圖4：UDB數(shù)據(jù)通路框圖。

* 8位ALU可以實現(xiàn)所有的七個基本函數(shù)—遞增、遞減、加、減、與、或以及異或，并且它有單獨的位移和位掩碼模塊來進行ALU結果后處理(8位ALU傳輸功能只需通過ALU傳送一個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)。

* 操作可以使用兩個累加器(A0，A1)和兩個數(shù)據(jù)寄存器(D0，D1)來完成。兩個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4字節(jié)。這一結構可以使多任務處理變得簡單；在不同的時間，獨立操作可以在寄存器子集完成。例如，A0、D0、F0可以用于一個任務，而A1、D1、F1則可用于不同的任務。

* 廣泛的狀態(tài)條件(例如：比較、零檢測、所有個體檢測、溢出檢測)可以應用到累加器，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?。信號可以在PLD和數(shù)據(jù)通路之間路由，遍及整個UDB和器件的其它地方，形成了復雜的數(shù)字系統(tǒng)互連(DSI)結構。

實例

本例中，用一個UDB數(shù)據(jù)通路來創(chuàng)建一個帶重載(reload)功能的8位數(shù)字計數(shù)器。為了實現(xiàn)這點，連接一個狀態(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)建帶重載功能的計數(shù)器。

在這個設計中，A0是計數(shù)寄存器，D0是重載寄存器。需要兩個函數(shù)，一個用來遞減計數(shù)，一個從周期寄存器重載計數(shù)器；這些函數(shù)在控制儲存RAM里預載了。

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

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

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

通過使用PLD這個簡單的設計可以創(chuàng)造更復雜的應用。以一個紅綠燈控制器為例，紅綠燈控制器周期由綠、黃、紅三種狀態(tài)構成，因此需要一個狀態(tài)機。每個狀態(tài)變化到下一個狀態(tài)之前會持續(xù)一定時間，所以必需有一個計數(shù)器。為了簡單起見，假設“綠燈”時間和“紅燈”是相同，但“黃燈”時間不同。

只需要使用3個數(shù)據(jù)通路寄存器(假設為8位計數(shù)值)就可以實現(xiàn)這個時序結構。A0為計數(shù)寄存器，D0為“綠”和“紅”狀態(tài)保持計數(shù)器重載值，D1為“黃”狀態(tài)保持計數(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)通路構建的紅綠燈控制器框圖

要保存在控制存儲RAM里的操作是：

A0 = A0 - 1 // 計數(shù)

A0 = D0 // 重載“綠”或“紅”

// 計數(shù)值

A0 = D1 //重載“黃”值

狀態(tài)機在PLD里實現(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)當前的狀態(tài)和從數(shù)據(jù)通路反饋的信號，控制執(zhí)行哪個數(shù)據(jù)通路操作和哪個燈要點亮。

超越基礎

紅綠燈控制器是一種簡單的應用類型，通常使用CPU編程。然而，我們已經(jīng)看到，除了初始化代碼，這個功能可以完全和CPU沒關系而可以由智能的可配置外設完成。這個功能可以很容易地擴展以支持附加需求，例如轉(zhuǎn)換信號、行人行走信號、車輛檢測傳感器、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，以減輕CPU的負擔。然而，如果這么多的功能都由外設處理了，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就可以關掉了。不過，更實用的方案是使用CPU做CPU能做得最好的事情，例如：

* 復雜的計算

* 字符串和文本處理

* 數(shù)據(jù)庫管理

* 通信管理

* 系統(tǒng)管理

例如，在我們的紅綠燈應用中，CPU可以用于以下幾個方面：

* 檢測車輛闖紅燈

* 使用相機拍攝牌照

* 從照片上提取車牌文字信息

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

通過由智能外設完成很多任務，CPU可以輕松地去做更有價值的任務。