嵌入式系統(tǒng)中“軟外設(shè)”的研究

作者Email:   sunchengli@sjzue.edu.cn

    摘要：隨著CPU的性能的不斷提升，處理速度越來(lái)越快，運(yùn)算能力不斷增強(qiáng)，在許多嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中逐漸出現(xiàn)了軟外設(shè)（Software Peripherals）。所謂軟外設(shè)是指以軟件編程為手段，模擬CPU的外圍設(shè)備的功能，真正達(dá)到以軟代硬的目的。軟外設(shè)的出現(xiàn)給產(chǎn)品的開發(fā)帶來(lái)了極大的靈活性，不但使系統(tǒng)體積變得更小，而且使系統(tǒng)的升級(jí)換代變得更為方便，從而真正實(shí)現(xiàn)SOC。

    本文介紹軟外設(shè)的設(shè)計(jì)思想以及在開發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，并結(jié)合一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，分析軟外設(shè)對(duì)系統(tǒng)的影響以及如何使設(shè)計(jì)合理化。

    關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) UART  Software Peripherals

    一、介紹

    應(yīng)該說(shuō)軟外設(shè)并不是一個(gè)新思想，從計(jì)算機(jī)發(fā)明以來(lái)，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直試圖盡可能多地用軟件編程來(lái)代替實(shí)際電路，通過(guò)這種方式把外設(shè)嵌入進(jìn)系統(tǒng)。但由于CPU速度、計(jì)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(shè)的發(fā)展。

    近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的處理器廠家在處理器的設(shè)計(jì)中加大了對(duì)軟外設(shè)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(shí)現(xiàn)更多更強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。Motorola公司已經(jīng)開發(fā)出基于SM56PCI接口的用純軟件實(shí)現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)器。這些都說(shuō)明電路設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。

    目前，電子設(shè)計(jì)中把外設(shè)嵌入進(jìn)系統(tǒng)的方法主要有兩種。方法Ⅰ是采用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(yǔ)言，但在實(shí)際應(yīng)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(jià)格昂貴，故在一些便攜式裝置的研制中不便采用。

    軟外設(shè)的設(shè)計(jì)通常是采用標(biāo)準(zhǔn)的微處理器，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和系統(tǒng)負(fù)荷允許的條件下，設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)某種外設(shè)的功能。并且可以配置、升級(jí)、重組，從而完成特定的功能。應(yīng)該說(shuō)明的是，并不是所有外設(shè)的功能都能完全由軟件實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)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(shè)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

    下面給出對(duì)嵌入式系統(tǒng)的要求：

    （1） 高性能CPU內(nèi)核。軟外設(shè)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(shè)和CPU之間才能高速傳送數(shù)據(jù)，軟外設(shè)才能得以高速運(yùn)行而對(duì)系統(tǒng)整體工作不會(huì)有太多影響。建議采用帶有流水線、32位以上RISC核的CPU。

    （2） 快速的中斷響應(yīng)。軟外設(shè)均采用中斷方式向CPU提出服務(wù)請(qǐng)求?？梢栽谄洗鎯?chǔ)器與內(nèi)部總線之間增加寄存器組來(lái)減少系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn)的，象定時(shí)器、中斷控制器。另外在信號(hào)處理中由于A/D、D/A轉(zhuǎn)換如果用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)開銷太大，由硬件實(shí)現(xiàn)較好。

    （4） 快速、足夠的存儲(chǔ)器和高性能的運(yùn)算單元。

    三、軟外設(shè)的算法設(shè)計(jì)

    由于軟外設(shè)要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，有時(shí)需要和別的應(yīng)用程序并行執(zhí)行，在設(shè)計(jì)時(shí)可以把軟外設(shè)看作等待服務(wù)的任務(wù)，協(xié)調(diào)、安排好這些任務(wù)非常重要，根據(jù)任務(wù)的確定性可以把實(shí)時(shí)系統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度策略劃分為兩類：一類是靜態(tài)的，主要負(fù)責(zé)預(yù)先知道發(fā)生時(shí)間的任務(wù)；要求按進(jìn)度準(zhǔn)點(diǎn)完成的任務(wù)；要求固定時(shí)間發(fā)生的任務(wù)。對(duì)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(dòng)態(tài)進(jìn)程調(diào)度策略，負(fù)責(zé)那些不能預(yù)測(cè)何時(shí)發(fā)生任務(wù)；不知執(zhí)行周期有多長(zhǎng)的任務(wù)。這是一些具有臨時(shí)性的任務(wù)，比如含有條件循環(huán)的任務(wù)（不知何時(shí)滿足條件）。以上兩種策略分別適用于不同的情況，在一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，往往存在幾個(gè)要求并行執(zhí)行的軟外設(shè)，進(jìn)程的調(diào)度對(duì)任務(wù)的同步和系統(tǒng)的優(yōu)化非常重要。

    另外為了設(shè)計(jì)的可移植性和簡(jiǎn)便，要進(jìn)行模塊化和層次化設(shè)計(jì)，復(fù)雜的軟外設(shè)可以看作由幾個(gè)具有層次的簡(jiǎn)單的模塊構(gòu)成。

    四、性能分析

     現(xiàn)以示出了一個(gè)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(hào)CPU，接有三個(gè)軟外設(shè)，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(shè)為例，對(duì)軟外設(shè)進(jìn)行性能分析。

    在UART實(shí)現(xiàn)程序中，共有16條匯編指令，假定每條指令需要一個(gè)時(shí)鐘周期（即CPI＝1），沒(méi)有奇偶校驗(yàn)功能。通過(guò)改變CPU主頻（變化范圍為30～100），計(jì)算執(zhí)行的時(shí)間占有CPU時(shí)間的比率，分析UART軟外設(shè)在不同波特率情況下對(duì)CPU的負(fù)擔(dān)，計(jì)算過(guò)程如下：

    假定CPU發(fā)送/接收一個(gè)字節(jié)的時(shí)間為t。UART軟外設(shè)的CPU占有率為T，則

    t=指令數(shù)×CPI＋中斷響應(yīng)周期×CPU主頻－1。
    T＝t×波特率。
    結(jié)果如表1所示。

表1 UART的CPU占有率

    上表中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是在假定UART工作在全雙工方式（FD）下，沒(méi)有檢錯(cuò)功能得到的，而系統(tǒng)絕大多數(shù)時(shí)間是工作在半雙工方式（HD）下的，HD方式下該UART的CPU占有時(shí)間率要減少25％。如果加上奇偶校驗(yàn)功能，該軟外設(shè)的CPU占有時(shí)間率在FD方式會(huì)增加11.45%，HD方式下增加7.60%。

    由表1可知，CPU頻率越高，軟外設(shè)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)越小，另外隨著UART的波特率增加，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重。建議軟外設(shè)的運(yùn)行占CPU時(shí)間不能超過(guò)20％，實(shí)驗(yàn)證明，軟外設(shè)的CPU占有率不超過(guò)20％的情況下對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是可以承受的。

    接下來(lái)我們分析該軟外設(shè)的能耗問(wèn)題。圖三示出了CPU在接有URAT軟外設(shè)或URAT硬件的情況下在不同情況下的CPU消耗電流曲線。

上圖表明：
1．隨著波特率增加，UART軟外設(shè)的能耗增加。
2．隨著CPU主頻增加，UART軟外設(shè)的能耗增加。
3．波特率在小于70Kbit/s時(shí)UART軟外設(shè)的能耗低于硬件外設(shè)，此時(shí)選用軟外設(shè)可以降低能耗，即該軟外設(shè)適合于數(shù)據(jù)量不是很大的場(chǎng)合（如語(yǔ)音通信）。在要求系統(tǒng)傳輸速率極快的情況下（如視頻流傳輸），選用硬件實(shí)現(xiàn)較為合適。

六、結(jié)束語(yǔ)

    本文系統(tǒng)地介紹了軟外設(shè)的設(shè)計(jì)思想，并以一個(gè)軟外設(shè)為例，分析了它的一些性能指標(biāo)。 軟外設(shè)具有許多優(yōu)點(diǎn)：如調(diào)試方便，系統(tǒng)可移植性強(qiáng)，能耗小，成本低。很適合在一些要求便攜式、低能耗的場(chǎng)合應(yīng)用。雖然也存在一些缺點(diǎn)，如速度慢，并行性差，但隨著CPU相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及算法的完善，這些方面在一定程度上會(huì)得到改觀。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行折衷考慮。畢竟，軟外設(shè)的出現(xiàn)給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一種更為靈活的設(shè)計(jì)方案，給設(shè)計(jì)人員也提供了更多的選擇余地，更廣的設(shè)計(jì)空間。