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，處理速度越來越快，運算能力不斷增強，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)的升級換代變得更為方便，從而真正實現(xiàn)SOC。

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

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

    一、介紹

    應(yīng)該說軟外設(shè)并不是一個新思想，從計算機發(fā)明以來，電子系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計中加大了對軟外設(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)。Motorola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(shè)計已經(jīng)進入了一個嶄新的時期。

    目前，電子設(shè)計中把外設(shè)嵌入進系統(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(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)負荷允許的條件下，設(shè)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(shè)的功能。并且可以配置、升級、重組，從而完成特定的功能。應(yīng)該說明的是，并不是所有外設(shè)的功能都能完全由軟件實現(xiàn)，這種設(shè)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(shè)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：

    （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。

    （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)請求?？梢栽谄洗鎯ζ髋c內(nèi)部總線之間增加寄存器組來減少系統(tǒng)的中斷響應(yīng)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(shè)的算法設(shè)計

    由于軟外設(shè)要求實時性強，有時需要和別的應(yīng)用程序并行執(zhí)行，在設(shè)計時可以把軟外設(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(zé)預(yù)先知道發(fā)生時間的任務(wù)；要求按進度準(zhǔn)點完成的任務(wù)；要求固定時間發(fā)生的任務(wù)。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(zé)那些不能預(yù)測何時發(fā)生任務(wù)；不知執(zhí)行周期有多長的任務(wù)。這是一些具有臨時性的任務(wù)，比如含有條件循環(huán)的任務(wù)（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(fù)雜的系統(tǒng)中，往往存在幾個要求并行執(zhí)行的軟外設(shè)，進程的調(diào)度對任務(wù)的同步和系統(tǒng)的優(yōu)化非常重要。

    另外為了設(shè)計的可移植性和簡便，要進行模塊化和層次化設(shè)計，復(fù)雜的軟外設(shè)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(shè)，分別為UART、LCD和鍵盤控制器。現(xiàn)在從工作速度和能量損耗方面以UART軟外設(shè)為例，對軟外設(shè)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(shè)在不同波特率情況下對CPU的負擔(dān)，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(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)計數(shù)據(jù)是在假定UART工作在全雙工方式（FD）下，沒有檢錯功能得到的，而系統(tǒng)絕大多數(shù)時間是工作在半雙工方式（HD）下的，HD方式下該UART的CPU占有時間率要減少25％。如果加上奇偶校驗功能，該軟外設(shè)的CPU占有時間率在FD方式會增加11.45%，HD方式下增加7.60%。

    由表1可知，CPU頻率越高，軟外設(shè)對系統(tǒng)的負擔(dān)越小，另外隨著UART的波特率增加，系統(tǒng)負擔(dān)加重。建議軟外設(shè)的運行占CPU時間不能超過20％，實驗證明，軟外設(shè)的CPU占有率不超過20％的情況下對系統(tǒng)來說是可以承受的。

    接下來我們分析該軟外設(shè)的能耗問題。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UART軟外設(shè)的能耗低于硬件外設(shè)，此時選用軟外設(shè)可以降低能耗，即該軟外設(shè)適合于數(shù)據(jù)量不是很大的場合（如語音通信）。在要求系統(tǒng)傳輸速率極快的情況下（如視頻流傳輸），選用硬件實現(xiàn)較為合適。

六、結(jié)束語

    本文系統(tǒng)地介紹了軟外設(shè)的設(shè)計思想，并以一個軟外設(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：如調(diào)試方便，系統(tǒng)可移植性強，能耗小，成本低。很適合在一些要求便攜式、低能耗的場合應(yīng)用。雖然也存在一些缺點，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得到改觀。設(shè)計人員在設(shè)計時需要對硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進行折衷考慮。畢竟，軟外設(shè)的出現(xiàn)給嵌入式系統(tǒng)設(shè)計提供了一種更為靈活的設(shè)計方案，給設(shè)計人員也提供了更多的選擇余地，更廣的設(shè)計空間。