采用分而治之的方法設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)

其中有一個(gè)很明顯的發(fā)展趨勢(shì)：將復(fù)雜的問題分為若干個(gè)較小、較簡單且更加明確的問題，并針對(duì)具體的任務(wù)運(yùn)用合適的工具。即使是最為普通的嵌入式系統(tǒng)也適用于這一原則，它可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性。關(guān)鍵在于采用一種通用的通信策略。

主控制器和從控制器

最基本的原理就是：用主控制器進(jìn)行集中決策，再交由從控制器分別執(zhí)行。在最為復(fù)雜的系統(tǒng)中，這種方法必不可少，并能夠自動(dòng)執(zhí)行。比如，手機(jī)中的主處理器用于決定屏幕的顯示內(nèi)容以及外設(shè)(如LCD顯示控制器或無線電收發(fā)器)需要完成的工作，而不會(huì)直接控制顯示的各個(gè)像素或是無線電的編/解碼。主控制器將告知顯示器需要顯示什么信息，并由顯示器來決定如何顯示;同樣，主控制器向收發(fā)器提供需要編碼的音頻信號(hào)，而收發(fā)器則提供解碼后的信號(hào)。

在其他嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)的劃分或許不那么明顯，但基本思想都是相同的。如果一個(gè)中央主控制器能夠與遠(yuǎn)程從設(shè)備以及本地設(shè)備進(jìn)行通信，那么整個(gè)系統(tǒng)中就可以有統(tǒng)一的控制。另外，為了使一個(gè)分布式系統(tǒng)獲得成功，需要對(duì)接口作明確的定義。

雖然微控制器有許多標(biāo)準(zhǔn)的通信方法，但在主/從嵌入式系統(tǒng)中，最常用的是RS23 2串行接口、SPI和I2C。采用這些通信接口的從設(shè)備包括較低級(jí)的ADC、DAC、串行EEPROM、各類數(shù)字I/O，以及較高級(jí)的電壓排序和監(jiān)控器件以及閉環(huán)風(fēng)扇控制器等。

將任務(wù)分而治之

在目前嵌入式市場(chǎng)的從器件以及可被用作主控制器或定制從控制器的微控制器中，比較流行的通信方法是I2C。這主要是由于I2C價(jià)格較低，只需雙線/引腳和兩個(gè)上拉電阻器即可構(gòu)成，并且簡單易用。就分布式嵌入系統(tǒng)而言，I2C(400kHz)往往是最佳選擇。

將任務(wù)分而治之的關(guān)鍵在于：簡單的問題要比復(fù)雜的問題更加容易解決。此外，將器件彼此分開可以減少它們之間的耦合，并提高系統(tǒng)的可靠性。如果能夠正確地分配功能、定義接口，就可以避免普遍存在的一些故障。最后，如果能夠很好地利用自己的經(jīng)驗(yàn)，則在劃分任務(wù)的過程中就將能產(chǎn)生許多可重用的設(shè)計(jì)，從而使得工程師在設(shè)計(jì)下一個(gè)項(xiàng)目時(shí)不用從頭開始。

實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分而治之需要依靠一根通信總線，在有些情況下，總線會(huì)影響到某些主控制器/從控制器的特性。在本文中使用I2C作為總線，是因?yàn)橹С衷摽偩€的器件比較普遍，而且測(cè)試和調(diào)試I2C所需的外部工具價(jià)格較低或比較容易創(chuàng)建。

這種主控制器/從控制器的原理在任何嵌入式設(shè)計(jì)中都是以相同的方法來處理的。首先，確定需要集中做出那些決策，并將它們分配給主控制器;然后把具體操作分配給從控制器去執(zhí)行。關(guān)鍵在于如何進(jìn)行任務(wù)的劃分。一種高效的策略是：不要讓主控制器因?yàn)槿魏问虑槎サ却硞€(gè)從控制器;如果從控制器需要主控制器提供某些信息，它必須先呼叫主控制器。在有些情況下，這種方法還需要一根中斷線，以使從控制器能夠呼叫主控制器。

采用I2C I/O擴(kuò)展器件的面板控制器

本文在一個(gè)控制設(shè)備面板的系統(tǒng)中采用了該方法，面板由按鈕、開關(guān)和LED組成。在該面板系統(tǒng)中，主控制器是負(fù)責(zé)管理該系統(tǒng)的主處理器，如嵌入式的Windows或Linux計(jì)算機(jī);從控制器為I2C總線連接I/O擴(kuò)展器。

通過讓主處理器在上電時(shí)對(duì)I/O擴(kuò)展器進(jìn)行配置，按鈕/開關(guān)檢測(cè)輸入和LED狀態(tài)輸出將被傳至主處理器。任何一個(gè)具有I2C總線的處理器都可以是主控制器，它對(duì)設(shè)備進(jìn)行軟件配置，并可以方便地改變按鈕和LED的配置。

這種簡單的系統(tǒng)如圖1所示。圖中藍(lán)色的圓圈代表按鈕輸入，紅色和綠色形狀代表LED。在設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)小的I2C I/O擴(kuò)展器，是為了實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)的模塊化，把輸入子系統(tǒng)的變化與輸出子系統(tǒng)分隔開。當(dāng)在主控制器中進(jìn)行決策時(shí)，可使某一特定功能的變化不影響到其他的功能。

圖1 面板系統(tǒng)簡圖

而且，由于所有的控制功能都由主控制器完成，因此系統(tǒng)中的硬件部分很簡單，而且易于改變。但這種簡單的方法也有缺點(diǎn)，當(dāng)希望增加一個(gè)用于調(diào)節(jié)LED 亮度的環(huán)境光傳感器時(shí)，增加的工作負(fù)擔(dān)將全部由主控制器來承擔(dān)，它要保證所有的從控制器能夠適應(yīng)設(shè)計(jì)變化，并正常工作。但其實(shí)主控器只需要知道按鈕的狀態(tài)，并控制LED的接通和關(guān)斷。

設(shè)計(jì)定制的I2C從控制器件

在圖1的系統(tǒng)中，所有的邏輯信息都存儲(chǔ)在主控制器中，一切變化都要通過主控制器完成。作為替代方案，可以定義一個(gè)面板接口，并將所有的細(xì)節(jié)問題交給一個(gè)分布式的從控制器系統(tǒng)來處理，這樣可減少主處理器的負(fù)擔(dān)，如圖2所示。

圖2 采用定制從器件的面板系統(tǒng)

設(shè)計(jì)定制器件時(shí)應(yīng)采用定義了穩(wěn)定協(xié)議和接口且經(jīng)過驗(yàn)證的I2C從控制器實(shí)現(xiàn)方案，最常用的協(xié)議是目前大多數(shù)I2C從控制器件所采用的、基于寄存器的協(xié)議。相關(guān)概要信息如下：

對(duì)于I2C，所有的事務(wù)處理均由主控制器啟動(dòng);

每個(gè)從器件都具有一個(gè)I2C 7位地址(最低有效位表明事務(wù)處理是“讀”還是“寫”);

每個(gè)從器件都具有一個(gè)內(nèi)部地址寄存器，用于存儲(chǔ)一個(gè)指向包含了數(shù)據(jù)、命令或狀態(tài)信息的內(nèi)部表指針;

每個(gè)從器件均定義了其寄存器的地址及其功能，指明它們是只讀型的還是讀/寫型的;

一個(gè)寫處理事務(wù)由一個(gè)具有I2C器件7位地址和寫操作位的字節(jié)以及一個(gè)位于其后的、用于設(shè)定內(nèi)部地址寄存器的字節(jié)組成，如果在處理事務(wù)中有更多的字節(jié)，則它們將被寫入以新設(shè)定的內(nèi)部地址為起點(diǎn)的從器件;

一個(gè)讀處理事務(wù)由一個(gè)具有I2C器件7位地址和讀操作位的字節(jié)以及一個(gè)位于其后的主控制器組成，該主控制器用于記錄從器件的字節(jié)數(shù)，并在結(jié)束時(shí)提供停止信號(hào)。由此可見，I2C從控制器與雙端口RAM很相似，非常易于使用。

接下來要選擇可編程器件，賽普拉斯公司推出的微控制器件PSoC擁有處理大多數(shù)I2C從控制器所需的全部功能，并提供了一種易用的工具，從而簡化了增加I2C從控制器的工作，只需“拖、放、選擇地址”即可。

首先，定義一個(gè)按鈕輸入的從器件，創(chuàng)建一個(gè)具有3個(gè)地址引腳和7個(gè)按鈕輸入的器件，并通過配置使之接受一個(gè)靠近5V直流系統(tǒng)電源的 常開開關(guān)。按鈕狀態(tài)將在一個(gè)由I2C主控制器進(jìn)行存取的單字節(jié)中提供。

其次，定義用于控制LED的從器件，創(chuàng)建一個(gè)具有2個(gè)地址引腳并能夠以10mA的電流來驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED(分為4紅4綠)的器件。定義被稱為 “Command”的單字節(jié)用于執(zhí)行I2C的命令輸入，以控制LED。該字節(jié)的4個(gè)低位用于控制紅光LED，而4個(gè)高位則負(fù)責(zé)控制綠光LED。

接下來，還可以更加細(xì)致地定義定制I2C主控制器/從控制器的接口，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從控制級(jí)的客戶化設(shè)計(jì)。如果想把系統(tǒng)主控制器從一個(gè)輪詢器件變?yōu)橐粋€(gè)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)的中斷器件時(shí)，則可以給按鈕輸入設(shè)備增加一根輸出線。這些改動(dòng)能夠進(jìn)一步地把主系統(tǒng)處理器與低級(jí)設(shè)備相隔離，并提供了在不影響主系統(tǒng)的情況下繼續(xù)改善子系統(tǒng)的更大靈活性。

將分而治之的概念推廣到所有的通信總線

本文所討論和說明的概念可適用于任何的總線類型，需要做的是定義滿足各種不同需要的協(xié)議，以最大限度地縮短無線、便攜系統(tǒng)中的傳輸時(shí)間，或是在苛刻的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)完善的檢錯(cuò)/糾錯(cuò)。

主控制器可以被稱為集線器，從控制器可以被看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)并具有預(yù)定的響應(yīng)時(shí)間，但是，分而治之的思想仍然適用：把普通、重復(fù)的測(cè)量和低級(jí)控制分配給級(jí)別最低的點(diǎn)，而將重要的工作留給系統(tǒng)控制器來完成。另外，在各種情況下都必須建立功能強(qiáng)大、精確定義的接口，以便為下一級(jí)的設(shè)計(jì)留出一定的自由度，在不影響較高級(jí)設(shè)備的情況下方便地改變?cè)O(shè)計(jì)方案。