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成功的嵌入式设计需要指令集之外的诸多因素

作者:时间:2011-08-25来源:网络收藏

当谈到32 位微控制器时,基于ARM 的产品已经占据重要地位。那么,这会是故事的全部吗?不见得,行业内最重要的公司之一,Microchip Technology,正全力推动其基于MIPS 架构的芯片。他们最新推出的产品在提醒我们,

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/150295.htm

在计算机历史上,从实验室走出过多少种不同的集架构?可能曾经有数百种架构取得过一些商业上的; 如果算上博士论文中出现过的,数目可能会多达几千种。拿流行时尚做比喻,计算机体系结构发展就好似女生裙摆的高度一般,经常来回变化。

曾经有一段时间它非常要紧—— 比如在汇编语言编程的时期。至于兼容性,至少在表面上它依旧是件重要的事情,特别是在电脑或视频游戏方面(例如,有一些执行以前的二进制文件)。但实际上,严格的目标代码兼容性对多数来说已经不再是一个大问题。更多的问题是关于工具链的兼容性和代码模块的可用性,集本身已经不是问题之一。

随着芯片不断地集成系统功能,人员的是一个拥有全部所需存储器、外设和胶合逻辑的芯片。并且这个芯片必须省电、有良好的工具和支持,以及合适的价格。

这并不是说在特定的应用当中,体系结构并没有优劣之分。事实上,这个问题很有趣,看看那些当初为“计算机”设计的架构—— 如 ARM 和MIPS,不断下沉,以更好地适应“控制器”应用的需求。这些“计算机”架构最后都终于认识到要在嵌入式应用里面解决诸如代码密度、低功耗、快速并确定的中断响应等问题。

认识 PIC32

在 MCU 领域的竞争里,无疑MIPS 是在追赶ARM。但是,拥有像Microchip 这样的重量级选手支持,差距正在缩小。看看新的PIC32 5XX/6XX/7xx 系列产品,高度集成了以太网、USB 和CAN 应用。

我在以前的文章中(“MIPS for the Masses”,Circuit cellar 216 期,2008)介绍过PIC32的内核。拥有5 级流水线,性能相对较高(比如与ARM Cortex - M3 相比)。不过,这只是处理器内核级别的性能差异。比如Microchip PIC32 的性能为1.5 DMIPS / MHz,而Cortex - M3是1.25 DMIPS / MHz 的。在实际中,32 位微控制器的flash 存储器访问时间是性能瓶颈。如以80MHz 运行的PIC32 可能需要2 个等待周期。通常采用宽总线(128 位)、高速缓存和预取等技术来减轻flash 访问的瓶颈问题。

或者,可以使用片内的RAM来达到0 等待周期。’5xx 系列包含64KB 的RAM,’6xx’和7xx 系列中的部分型号有多达128KB 的RAM。不过要记住,代码和数据访问之间的争抢可能导致一些延迟。此外,256KB 或512KB 的flash 空间足够用来放置你的代码(加上额外12 KB 的启动代码空间)。

外设方面,这些新产品提供了完整的I/O(见图1)。 ‘5xx/6xx/7xx 编号代表了大的接口功能:USB、CAN 和以太网。‘5xx 系列包含一个USB 2.0 和一个CAN(2.0b)模块;‘6xx系列包含USB 模块与一个10/100 以太网MAC。而‘7xx 系列集成了所有这些,包含USB、以太网和两个CAN 模块。

普通 I/O 方面,这些产品遵循了不同应用需求的趋势。我们看到5 个16 位计数器/定时器,其中任何两对可以组合成为32 位单元。由于封装尺寸(有64 脚和100 脚可选)和引脚复用的限制,你能得到最多六个UART、四个SPI 以及五个I2C 接口。在模拟方面,有一个16通道多路复用器连接一个10 位1 MSPS 的ADC 和两个模拟比较器。除了这些MCU 能力,另外还有8/16 位数据总线和16 位地址总线扩展功能,外加两个片选。所有的数据流可以通过8个通用DMA通道控制,辅以4个专用DMA通道(''5XX 和''6XX 系列)或8个专用DMA通道(''7XX 系列)。

源自上世纪80 年代的MIPS 是RISC 方面“精简”特性的杰出代表。当响应中断时,它们可以要对PC 和状态寄存器压栈,不然的话就转由软件去处理。对这种极端简约存在一些争议,可能少了一些有用的东西。考虑到这一点,PIC32 系列包括一个全功能优先级/向量可编程的中断控制器;以及一组替代寄存器组用于快速中断响应和上下文切换。

另外,不要忽视那些可能导致严重预算问题的胶合逻辑,如看门狗定时器、低电压检测、电压整流器、主时钟/外设时钟/实时时钟等。这些功能的集成,使PIC32 系列成为真正适用于“控制”应用的芯片,有别于“计算机”芯片。

入门

跟以前一样,Microchip 的芯片评估很容易,而且便宜。PIC32 以太网入门套件(见照片1)定价$72,提供一切你需要的部件。虽然名字为“以太网”入门套件,该套件配备了高端的''795 型号MCU,同时支持USB 功能。

该套件还包括配有一个“轻量级”GCC 编译器的Microchip MPLAB IDE。文档中关于“轻量级”编译器的说明有点矛盾。“轻量级”版本编译器暗示不支持先进的代码优化,但是我拿到的版本显然不是这样,在下一节你将看到这一点。或许实际上该工具包是所谓的“评估”版本,支持所有功能,但只有60 天有效期。

PIC32 采用的架构来源于“计算”,因此它非常适合管理面向PC 的以太网和USB 接口。让我们看一些演示程序,你就会明白我的意思。

多年来Microchip 一直在为其小型的PIC 芯片提供部分网络软件栈,PIC32 做得更多,它提供了全功能、免费的BSD TCP/IP 网络堆栈。包含所有的网络服务、套接字等,以及这些常用的协议:DHCP、UDP、ICMP、ARR 等。''795 型芯片中有512KB 的片上flash,有充足的空间存储一些漂亮的演示程序,让我们浏览一下入门电路板(见照片2)。

USB 支持不错,。OTG功能允许一个设备在USB 主、从设备之间动态切换。一个典型的应用案例是打印机,当连接到PC 时它是一个从设备,而当连接到相机时它成为主设备。现在所有的USB 芯片似乎都有OTG 了,不过我自己从没有遇到过需要以这种方式切换的情况。

不管 OTG 是否真正有用,它使得PIC32 能在更多的传统领域中得到应用,无论是作为主设备或从设备。USB“嵌入式主设备”在使用中有一些限制,不像“标准主设备”如电脑,举例来说PIC32 不提供VBUS 电源(100-500 mA),但是你可以在个人电脑的USB接口上找到这种电源——当然这完全可以理解。另外,速度限制也需要注意,,作为从设备时能够“全速”(12 Mbps),而作为主设备时只能提供“低速”(1.5 Mbps)。

这个套件包含了一些实用的演示。其中一个演示让该板子成为一个标准人机接口设备(HID)——比如鼠标。因为HID 驱动已经是标准,你可以把它直接插入PC 使用。另外,你可以把这个套件配置成USB 主设备,从而利用PIC32 不断完善的FAT 文件管理软件库,有一些演示展示了如何访问广泛使用的USB 存储器(见照片3)。

不过需要指出的是这个套件中没有包含CAN 演示。因为我不懂也没有实验条件进行有意义的CAN 测试,如果你需要该功能,你需要自己来评估和结论。

优化的迷宫

结构体系进化的重要标志之一,曾经是编译器的优化。您可能还记得有些人把“RISC”缩写调侃为“Relegate the Impossible Stuff to the Compiler”,即“把不可能完成的任务丢给编译器”。然而,在调试时,一个太过自我聪明的编译器其问题也是显而易见的。比如PIC32 的“C”编译手册有提到说,当调试经过优化的代码时“可能偶尔会碰到令人惊讶的结果。”

例如,有些变量和代码会消失,如果编译器认为你其实并不需要它们。举例说你声明了一个变量,然后给它赋值一个常数,接着在某个计算时调用了这个变量。不要为找不到那个变量和赋值语句而抓狂,编译器只是比你更聪明一点,它在计算中直接调用了常数。

当你在一个条件分支指令处点击了单步执行,然后看到光标移动到了下一条指令处,这是否意味该条件分支的条件未被满足呢?未必,请注意这是MIPS 架构的一个特性,即分支指令的下一条指令总是会被执行,当编译器找不到合适的指令时会填充一条NOP 指令。你必须再执行一次单步操作,才能确认分支条件是否被满足(在这种情况下,你会看到光标跳到分支目标处)或不满足(光标跳转到下一条顺序指令)。更先进的“代码移动”优化能够导致更多的优化干预。请记住,有时指令可以被挪动很远的距离,甚至超出你认为应在的循环

不过,调试优化过的代码也是可能的,尤其是你喜欢头脑风暴的话(例如,在分支指令后跟一个分支指令会发生什么?)。通常缺省的编译器优化只生成简单的代码,会完整保留你的意图即使可能它效率底下。当调试时在断点触发处,,你可以放心地修改某个变量的值,而不用担心编译器会捣什么鬼(比如虽然你从源代码中看不到,但一些赋值语句已经被挪动并执行了)。

需要紧记的是,编译器优化设置(见照片4)能够产生很大影响。我试着跑过一个USB主机演示程序,采用了如表1 所示的不同编译器设置,你可以看到,不同设置下(速度/大小取向、循环展开,采取MIPS-16 的16 位代码优化选项)生成的代码大小相差能够高达2倍。


保持简洁

PIC32 在精简MIPS 架构使其服务于嵌入式应用方面做得很好。比如,全部的活动功耗只有1mA/MHz 水平,从它提供的性能来看这是非常难得的。它们的批量价格也比较合理,特别考虑到那些完整的外设和存储器配备。

然而竞争也非常激烈,像Cortex - M3、瑞萨SH(现在叫RX)、爱特梅尔的AVR32 以及飞思卡尔的ColdFire 等。这些竞争对手在行业里已经有很长的时间,它们的产品也具有很广的覆盖面,在高端产品上能提供跟PIC32类似的集成度和性能,同时还有许多入门级的简单产品。

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