Flexis微型控制器內(nèi)部：包括8位及32位

摘要：Freescale公司的Flexis QE128產(chǎn)品家族既有8位也有32位CPU核芯片，8位和32位微控制器具有相同的外設(shè)，并且引腳完全兼容。以血壓監(jiān)視器為例，如要從8位產(chǎn)品改進(jìn)為一個(gè)較高級(jí)的產(chǎn)品，不論硬件還是軟件都不需要變更，增加性能只需在現(xiàn)有裝置上添加部件和軟件。

關(guān)鍵詞：Flexis；Freescale；QE128；微控制器；引腳兼容

　　高性能還是低成本？低功率還是附加功能？當(dāng)設(shè)計(jì)師為他們的最新產(chǎn)品選擇微控制器時(shí)，必須權(quán)衡這些選擇。選擇錯(cuò)了或需求發(fā)生了變化，你要么屈就于一個(gè)非最佳解決方案，要么得花費(fèi)額外的時(shí)間和錢來(lái)把軟件和硬件轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)核上。如果你能選擇一個(gè)產(chǎn)品家族，使得在低成本方案與高性能方案之間的遷移異常簡(jiǎn)單，只需替換你現(xiàn)有硬件中的MCU并重新編譯你的代碼即可，這樣你就事半功倍了。Freescale半導(dǎo)體正是這樣考慮的，推出了Flexis QE128微控制器系列。

　　Flexis QE128是一個(gè)微控制器產(chǎn)品家族，有8位也有32位CPU核，性能廣泛，具有較好的成本效益。8位核是Freescale的S08核，是長(zhǎng)期以來(lái)使用的HC05和HC08核的換代升級(jí)產(chǎn)品。32位核是ColdFireV1，屬于Freescale ColdFire家族的一個(gè)新版本。為使裝置移植容易，S08和V1具有相同的外設(shè)，并且針對(duì)針兼容。

CPU對(duì)比

　　S08和V1的 CPU核存在固有差異。讓我們來(lái)檢視這些差異，并討論如何通過(guò)芯片級(jí)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具使它們最小化。

程序器的模型

　　首先展示每個(gè)CPU的程序設(shè)計(jì)模型。圖1顯示S08的程序器模型；圖2 是ColdFire V1的程序器模型，上面重疊顯示S08模型，以顯示二者的相似處和不同處。正如你所看到的，V1核的寄存器顯著地大許多，數(shù)量也多。

圖1 S08程序器模型

　　S08有一個(gè)很小的CPU寄存器，以保持小CPU體積，適用于價(jià)格非常敏感的MCU產(chǎn)品組合的低端MCU上。它有一個(gè)8位累加器、一個(gè)16位變址寄存器(由2個(gè)8位寄存器H和X組成)、一個(gè)16位程序計(jì)數(shù)器(允許最多64千字節(jié)的連續(xù)存儲(chǔ)器映射)、一個(gè)16位棧指針和一個(gè)8位條件碼寄存器(只有6位用于條件式)。

　　相比之下，V1有一個(gè)大得多的CPU寄存器，以使性能最大化。V1有8個(gè)32位數(shù)據(jù)寄存器，而S08只有一個(gè)8位累加器；8個(gè)32位地址寄存器，而S08只有16位變址寄存器和16位棧指針；一個(gè)32位程序計(jì)數(shù)器，能尋址一個(gè)16兆字節(jié)的存儲(chǔ)器映射。條件碼寄存器實(shí)際上比S08的條件碼寄存器少一位，只有5位，而S08的是6位(中斷屏蔽不包括在V1的CPU內(nèi)，此功能集成在中斷控制器內(nèi))。

S08 與 ColdFire V1有哪些兼容性

　　考察了這兩種裝置的CPU之后，你可能疑惑：“S08 QE128 與 V1 QE128 MCUs怎么會(huì)真正兼容呢？”答案很簡(jiǎn)單，F(xiàn)reescale設(shè)計(jì)CPU核周圍各部分時(shí)都使它們盡可能相同。一個(gè)微控制器的真正實(shí)力是它把多種外設(shè)和存儲(chǔ)器集成到同一個(gè)硅片上作為其CPU。

相同外設(shè)＝相同代碼

　　今天，可以買到用于最小的微控制器核的C編譯器。這些用于各個(gè)核的C編譯器各指令系統(tǒng)之間隱含著諸多不同點(diǎn)，允許程序器使用一個(gè)公用語(yǔ)言。我們剛剛討論的S08 與 V1核之間的不同點(diǎn)隱藏在編譯器的內(nèi)部工作中。因此，當(dāng)在這兩種MCU之間切換時(shí)，核本身算不上大障礙，但核周圍的所有部件是障礙。外設(shè)的不同促使你必須掌握新模塊并修改代碼，使模塊能擔(dān)任從前MCU所擔(dān)任的同樣任務(wù)。

　　因此，為使Flexis微控制器家族真正兼容，兩款MCU使用了相同的外設(shè)。從A/D轉(zhuǎn)換器到計(jì)時(shí)器模塊，QE128的S08 和 V1使用了相同外設(shè)的相同版本。因此，當(dāng)UART 使用S08 QE128，被配置為115.2kbps、9 個(gè)數(shù)據(jù)位、2 個(gè)結(jié)束位、偶數(shù)奇偶校驗(yàn)，那么，在運(yùn)行V1 QE128上的相同設(shè)置時(shí)，根本不必更改代碼。

一個(gè)應(yīng)用實(shí)例：血壓監(jiān)視器

　　為了演示兩種Flexis QE128的兼容性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)血壓監(jiān)視器(BPM)的參考設(shè)計(jì)，它既可以用S08 QE128也可以用 V1 QE128來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖3顯示了該BPM的框圖。這個(gè)參考設(shè)計(jì)有很好的伸縮性，它可以僅采用最少量的硬件來(lái)設(shè)計(jì)，只測(cè)量和顯示血壓；或設(shè)計(jì)為帶全部的選擇功能，或設(shè)計(jì)成某中間結(jié)合點(diǎn)。

圖3  血壓監(jiān)視器參考設(shè)計(jì)的框圖

　　最小功能包括帶濾波器的壓力傳感器、OLED顯示器、使用一個(gè)電場(chǎng)傳感器的小鍵盤接口、用于用戶告警的基本音頻音調(diào)。選項(xiàng)包括USB連通性、ZigBee無(wú)線連通性、上坡血壓測(cè)量、自動(dòng)袖帶充氣、用于存儲(chǔ)多個(gè)用戶測(cè)量歷史值的MRAM存儲(chǔ)器、數(shù)字化語(yǔ)音音頻告警。印制電路板為模塊化設(shè)計(jì)，可集成任何功能，若要增加一額外功能，只需在BOM(材料清單)上添加必要元件即可。

　　為配合硬件的模塊式設(shè)計(jì)，軟件也采用同樣設(shè)計(jì)思路，即通過(guò)添加軟件模塊來(lái)增加附加功能。這些附加模塊被寫入，它們或由主程序周期性調(diào)用，或通過(guò)中斷服務(wù)程序調(diào)用，這樣它們很容易被添加，而不會(huì)影響到其它程序。

產(chǎn)品范圍從低成本到高端

　　通過(guò)此參考設(shè)計(jì)，我們不難看出，兩款Flexis QE128 MCU間的兼容性比較令人滿意。一家公司可以生產(chǎn)一系列BPM，從低成本版本開(kāi)始，利用S08 QE128實(shí)現(xiàn)其基本功能?？梢蕴砑尤我贿x項(xiàng)，S08 QE128仍可以維持運(yùn)行該系統(tǒng)。然而，當(dāng)越來(lái)越多的選項(xiàng)被添加時(shí)，S08 CPU將用完帶寬， V1 QE128所具有的更高性能就成為必需。需要從8位切換至32位的那一點(diǎn)，取決于使用了附加功能的哪種組合，因?yàn)椴煌δ苄枰煌腃PU馬力數(shù)。

　　讓我們來(lái)仔細(xì)研究一下BPM的基本功能，就血壓測(cè)量本身來(lái)說(shuō)，來(lái)看看兩款Flexis MCU是如何處理它的。測(cè)量血壓最容易的方法是給袖帶過(guò)度充氣，使之超過(guò)收縮壓力讀數(shù)，然后當(dāng)袖帶緩緩放氣時(shí)，聽(tīng)心跳測(cè)量壓力。這里指的是下坡測(cè)量法。測(cè)量過(guò)血壓的人都知道，袖帶過(guò)度充氣有些不舒服。一些非常敏感的人，尤其是老年人，甚至?xí)?jīng)歷過(guò)由于測(cè)量導(dǎo)致的皮下出血。

　　一種更舒服的測(cè)量方法是給袖帶充氣，一旦到達(dá)收縮壓時(shí)立即停止，在這期間檢測(cè)收縮壓。當(dāng)袖帶緩緩放氣時(shí)，再測(cè)量舒張壓。這個(gè)上坡方法避免了袖帶過(guò)度充氣，使病人感覺(jué)相對(duì)舒適些。然而，在袖帶充氣期間，收縮壓很難測(cè)量，這是由于氣泵產(chǎn)生的噪音，不容易把它與心跳檢測(cè)區(qū)分開(kāi)來(lái)。

兩種方法，兩款MCU，一套硬件和軟件設(shè)計(jì)

　　對(duì)BPM參考設(shè)計(jì)而言，袖帶的壓力經(jīng)由壓力傳感器被測(cè)量，壓力值由帶12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的MCU讀取。由于作用于每次心跳的袖帶壓力的周期性改變，心跳被檢測(cè)。對(duì)于下坡測(cè)量，袖帶被充氣至一個(gè)預(yù)定壓力，然后當(dāng)袖帶放氣時(shí)，通過(guò)讀取壓力值心跳被檢測(cè)。因?yàn)闅獗迷诜艢馄陂g不工作，壓力讀數(shù)的三角區(qū)只與心跳符合，這使得計(jì)算很容易，只需要最小的數(shù)字濾波。在這種情況下，一個(gè)S08 CPU能容易地處理12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的值，尋找符合心跳的三角區(qū)，讀出符合收縮壓和舒張壓的壓力讀數(shù)。

　　對(duì)于上坡測(cè)量，氣泵將對(duì)袖帶壓力改變產(chǎn)生噪音，同時(shí)，MCU試圖通過(guò)壓力改變檢測(cè)心跳。通過(guò)為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的壓力測(cè)量采用高級(jí)軟件濾波技術(shù)，泵噪音被濾波掉，心跳讀數(shù)被隔離開(kāi)。然后收縮壓就能被檢測(cè)到，氣泵關(guān)閉，袖帶放氣，以檢測(cè)舒張壓。 S08 CPU能操作12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)果的軟件濾波，實(shí)施上坡測(cè)量，但它需要CPU帶寬的更大部分，只給其它任務(wù)留下很少的帶寬。而V1 CPU，能容易地對(duì)12位數(shù)據(jù)施用軟件濾波器，為其它任務(wù)留下大量帶寬，例如控制氣泵電動(dòng)機(jī)，向病人提供數(shù)字語(yǔ)音反饋，在顯示器上實(shí)時(shí)顯示脈率。

Flexis 的優(yōu)勢(shì)

　　血壓監(jiān)視器的例子顯示了擁有一個(gè)覆蓋很寬成本范圍的微控制器家族的優(yōu)勢(shì)，而且在性能方面實(shí)現(xiàn)針和外設(shè)兼容。在這個(gè)例子中，如要改進(jìn)為一個(gè)較高級(jí)的產(chǎn)品，不論硬件還是軟件都不需要變更。增加性能只需在現(xiàn)有裝置上添加部件和軟件。8位與32位CPU的不同點(diǎn)由編譯器來(lái)處理，軟件保持不變，因?yàn)橥庠O(shè)是相同的。

　　可伸縮產(chǎn)品的概念可被應(yīng)用到范圍廣闊的多種應(yīng)用上：家用和商用安全系統(tǒng)、家庭和工業(yè)自動(dòng)化、玩具、電話等等。如果用戶以成本效益為切入點(diǎn)，并且愿意支付附加功能的費(fèi)用，任何此類應(yīng)用都能從這個(gè)可伸縮方法上受益。