嵌入式系統(tǒng)中“軟外設”的研究

　　本文介紹軟外設的設計思想以及在開發(fā)過程中應注意的事項，并結(jié)合一個嵌入式系統(tǒng)，分析軟外設對系統(tǒng)的影響以及如何使設計合理化。

　　一 介紹

　　應該說軟外設并不是一個新思想，從計算機發(fā)明以來，電子系統(tǒng)設計人員一直試圖盡可能多地用軟件編程來代替實際電路，通過這種方式把外設嵌入進系統(tǒng)。但由于CPU速度、計算能力有限，以及內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展不夠成熟，從而束縛了軟外設的發(fā)展。

　　近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的處理器廠家在處理器的設計中加大了對軟外設的支持，象ARM公司宣稱他們的32、64位RISC處理器已經(jīng)能用軟件實現(xiàn)更多更強的功能，指令集也更為豐富，甚至包括DSP方面的許多功能現(xiàn)在已經(jīng)能夠在CPU上實現(xiàn)。Motoro la公司已經(jīng)開發(fā)出基于SM56PCI接口的用純軟件實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)器。這些都說明電路設計已經(jīng)進入了一個嶄新的時期。

　　目前，電子設計中把外設嵌入進系統(tǒng)的方法主要有兩種。方法Ⅰ是采用標準的微處理器＋一塊輔助芯片，輔助芯片可以是FPGA或CPLD等可編程邏輯芯片；方法Ⅱ是采用基本的CPU內(nèi)核＋附加邏輯單元，這些可以在一塊高密度可編程邏輯芯片上實現(xiàn)，CPU內(nèi)核往往為Altera和Xilinx等FPGA生產(chǎn)廠家提供的軟件模塊。以上兩種方法都需要開發(fā)人員熟悉硬件描述語言，但在實際應用中CPU內(nèi)核以及各種IP核的使用的往往要得到產(chǎn)權(quán)許可，而且可編程邏輯芯片體積大，價格昂貴，故在一些便攜式裝置的研制中不便采用。

　　軟外設的設計通常是采用標準的微處理器，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和系統(tǒng)負荷允許的條件下，設計中盡可能多地采用可配置的軟件模塊，用這些可配置的軟件模塊來實現(xiàn)某種外設的功能。并且可以配置、升級、重組，從而完成特定的功能。應該說明的是，并不是所有外設的功能都能完全由軟件實現(xiàn)，這種設計方法的目的是在系統(tǒng)允許的條件下盡量“以軟代硬”，以盡可能少的硬件開銷取得最佳的性能比。

　　二 系統(tǒng)要求

　　下面給出具有軟外設的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　下面給出對嵌入式系統(tǒng)的要求：

　?。?） 高性能CPU內(nèi)核。軟外設的必須以高性能CPU內(nèi)核為支持，只有采用高性能CPU內(nèi)核，系統(tǒng)的頻率才能得以提高，軟外設和CPU之間才能高速傳送數(shù)據(jù)，軟外設才能得以高速運行而對系統(tǒng)整體工作不會有太多影響。建議采用帶有流水線、32位以上RISC核的CPU。

　?。?） 快速的中斷響應。軟外設均采用中斷方式向CPU提出服務請求。可以在片上存儲器與內(nèi)部總線之間增加寄存器組來減少系統(tǒng)的中斷響應時間。

　　（3） 附加硬件模塊。正如前面所提，系統(tǒng)有些特性是不能由軟件實現(xiàn)的，象定時器、中斷控制器。另外在信號處理中由于A/D、D/A轉(zhuǎn)換如果用軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)開銷太大，由硬件實現(xiàn)較好。

　　（4） 快速、足夠的存儲器和高性能的運算單元。

　　三 軟外設的算法設計

　　由于軟外設要求實時性強，有時需要和別的應用程序并行執(zhí)行，在設計時可以把軟外設看作等待服務的任務，協(xié)調(diào)、安排好這些任務非常重要，根據(jù)任務的確定性可以把實時系統(tǒng)的進程調(diào)度策略劃分為兩類：一類是靜態(tài)的，主要負責預先知道發(fā)生時間的任務；要求按進度準點完成的任務；要求固定時間發(fā)生的任務。對這類調(diào)度策略可以采用Round－robin算法或間隔算法（見3）。另外一類是動態(tài)進程調(diào)度策略，負責那些不能預測何時發(fā)生任務；不知執(zhí)行周期有多長的任務。這是一些具有臨時性的任務，比如含有條件循環(huán)的任務（不知何時滿足條件）。以上兩種策略分別適用于不同的情況，在一個復雜的系統(tǒng)中，往往存在幾個要求并行執(zhí)行的軟外設，進程的調(diào)度對任務的同步和系統(tǒng)的優(yōu)化非常重要。

　　另外為了設計的可移植性和簡便，要進行模塊化和層次化設計，復雜的軟外設可以看作由幾個具有層次的簡單的模塊構(gòu)成。

　　四 性能分析

　　現(xiàn)以示出了一個嵌入式系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)采用Motorola公司生產(chǎn)的MCF5104型號CPU，接有三個軟外設，分別為UART、LCD和鍵盤控制器?，F(xiàn)在從工作速度和能量損耗方面以UART軟外設為例，對軟外設進行性能分析。

在UART實現(xiàn)程序中，共有16條匯編指令，假定每條指令需要一個時鐘周期（即CPI＝1），沒有奇偶校驗功能。通過改變CPU主頻（變化范圍為30～100），計算執(zhí)行的時間占有CPU時間的比率，分析UART軟外設在不同波特率情況下對CPU的負擔，計算過程如下：

　　假定CPU發(fā)送/接收一個字節(jié)的時間為t。UART軟外設的CPU占有率為T，則

　　t=指令數(shù)