[導(dǎo)讀]MIPS走向更多
當(dāng)談到32 位微控制器時(shí)，基于ARM 的產(chǎn)品已經(jīng)占據(jù)重要地位。那么，這會(huì)是故事的全部嗎？不見(jiàn)得，行業(yè)內(nèi)最重要的公司之一，Microchip Technology，正全力推動(dòng)其基于MIPS 架構(gòu)的芯片。他們最新推出的產(chǎn)品在提醒我們，成功的嵌入式設(shè)計(jì)需要指令集之外的諸多因素。
在計(jì)算機(jī)歷史上，從實(shí)驗(yàn)室走出過(guò)多少種不同的指令集架構(gòu)？可能曾經(jīng)有數(shù)百種架構(gòu)取得過(guò)一些商業(yè)上的成功； 如果算上諸多博士論文中出現(xiàn)過(guò)的，數(shù)目可能會(huì)多達(dá)幾千種。拿流行時(shí)尚做比喻，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展就好似女生裙擺的高度一般，經(jīng)常來(lái)回變化。
曾經(jīng)有一段時(shí)間它非常要緊—— 比如在匯編語(yǔ)言編程的時(shí)期。至于兼容性，至少在表面上它依舊是件重要的事情，特別是在電腦或視頻游戲方面（例如，有一些需要執(zhí)行以前的二進(jìn)制文件）。但實(shí)際上，嚴(yán)格的目標(biāo)代碼兼容性對(duì)多數(shù)嵌入式設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)已經(jīng)不再是一個(gè)大問(wèn)題。更多的問(wèn)題是關(guān)于工具鏈的兼容性和代碼模塊的可用性，指令集本身已經(jīng)不是問(wèn)題之一。
隨著芯片不斷地集成系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)人員需要的是一個(gè)擁有全部所需存儲(chǔ)器、外設(shè)和膠合邏輯的芯片。并且這個(gè)芯片必須省電、有良好的工具和支持，以及合適的價(jià)格。
這并不是說(shuō)在特定的應(yīng)用當(dāng)中，體系結(jié)構(gòu)并沒(méi)有優(yōu)劣之分。事實(shí)上，這個(gè)問(wèn)題很有趣，看看那些當(dāng)初為“計(jì)算機(jī)”設(shè)計(jì)的架構(gòu)—— 如 ARM 和MIPS，不斷下沉，以更好地適應(yīng)嵌入式“控制器”應(yīng)用的需求。這些“計(jì)算機(jī)”架構(gòu)最后都終于認(rèn)識(shí)到要在嵌入式應(yīng)用里面解決諸如代碼密度、低功耗、快速并確定的中斷響應(yīng)等問(wèn)題。
認(rèn)識(shí) PIC32
在 MCU 領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)里，無(wú)疑MIPS 是在追趕ARM。但是，擁有像Microchip 這樣的重量級(jí)選手支持，差距正在縮小。看看新的PIC32 5XX/6XX/7xx 系列產(chǎn)品，高度集成了以太網(wǎng)、USB 和CAN 應(yīng)用。
我在以前的文章中（“MIPS for the Masses”，Circuit cellar 216 期，2008）介紹過(guò)PIC32的內(nèi)核。擁有5 級(jí)流水線，性能相對(duì)較高（比如與ARM Cortex - M3 相比）。不過(guò)，這只是處理器內(nèi)核級(jí)別的性能差異。比如Microchip PIC32 的性能為1.5 DMIPS / MHz，而Cortex - M3是1.25 DMIPS / MHz 的。在實(shí)際中，32 位微控制器的flash 存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)間是性能瓶頸。如以80MHz 運(yùn)行的PIC32 可能需要2 個(gè)等待周期。通常采用寬總線（128 位）、高速緩存和預(yù)取等技術(shù)來(lái)減輕flash 訪問(wèn)的瓶頸問(wèn)題。
或者，可以使用片內(nèi)的RAM來(lái)達(dá)到0 等待周期。’5xx 系列包含64KB 的RAM，’6xx’和7xx 系列中的部分型號(hào)有多達(dá)128KB 的RAM。不過(guò)要記住，代碼和數(shù)據(jù)訪問(wèn)之間的爭(zhēng)搶可能導(dǎo)致一些延遲。此外,256KB 或512KB 的flash 空間足夠用來(lái)放置你的代碼（加上額外12 KB 的啟動(dòng)代碼空間）。
外設(shè)方面，這些新產(chǎn)品提供了完整的I/O（見(jiàn)圖1）。 ‘5xx/6xx/7xx 編號(hào)代表了大的接口功能：USB、CAN 和以太網(wǎng)。‘5xx 系列包含一個(gè)USB 2.0 和一個(gè)CAN（2.0b）模塊；‘6xx系列包含USB 模塊與一個(gè)10/100 以太網(wǎng)MAC。而‘7xx 系列集成了所有這些，包含USB、以太網(wǎng)和兩個(gè)CAN 模塊。
圖1：憑借豐富的I/O（USB、以太網(wǎng)、CAN等），PIC32成為Microchip和MIPS在MCU戰(zhàn)場(chǎng)上的有力武器
普通 I/O 方面，這些產(chǎn)品遵循了不同應(yīng)用需求的趨勢(shì)。我們看到5 個(gè)16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，其中任何兩對(duì)可以組合成為32 位單元。由于封裝尺寸（有64 腳和100 腳可選)和引腳復(fù)用的限制,你能得到最多六個(gè)UART、四個(gè)SPI 以及五個(gè)I2C 接口。在模擬方面，有一個(gè)16通道多路復(fù)用器連接一個(gè)10 位1 MSPS 的ADC 和兩個(gè)模擬比較器。除了這些MCU 能力，另外還有8/16 位數(shù)據(jù)總線和16 位地址總線擴(kuò)展功能，外加兩個(gè)片選。所有的數(shù)據(jù)流可以通過(guò)8個(gè)通用DMA通道控制，輔以4個(gè)專(zhuān)用DMA通道(‘5XX 和‘6XX 系列)或8個(gè)專(zhuān)用DMA通道(‘7XX 系列)。
源自上世紀(jì)80 年代的MIPS 是RISC 方面“精簡(jiǎn)”特性的杰出代表。當(dāng)響應(yīng)中斷時(shí)，它們可以要對(duì)PC 和狀態(tài)寄存器壓棧，不然的話就轉(zhuǎn)由軟件去處理。對(duì)這種極端簡(jiǎn)約存在一些爭(zhēng)議，可能少了一些有用的東西。考慮到這一點(diǎn)，PIC32 系列包括一個(gè)全功能優(yōu)先級(jí)/向量可編程的中斷控制器；以及一組替代寄存器組用于快速中斷響應(yīng)和上下文切換。
另外，不要忽視那些可能導(dǎo)致嚴(yán)重預(yù)算問(wèn)題的膠合邏輯，如看門(mén)狗定時(shí)器、低電壓檢測(cè)、電壓整流器、主時(shí)鐘/外設(shè)時(shí)鐘/實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。這些功能的集成，使PIC32 系列成為真正適用于“控制”應(yīng)用的芯片，有別于“計(jì)算機(jī)”芯片。
入門(mén)
跟以前一樣，Microchip 的芯片評(píng)估很容易，而且便宜。PIC32 以太網(wǎng)入門(mén)套件（見(jiàn)照片1）定價(jià)$72，提供一切你需要的部件。雖然名字為“以太網(wǎng)”入門(mén)套件，該套件配備了高端的‘795 型號(hào)MCU，同時(shí)支持USB 功能。
照片1：考慮到ARM的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，MIPS需要奮起直追。最新集成USB、以太網(wǎng)和CAN的PIC32，是MIPS在MCU領(lǐng)域的一個(gè)巨大進(jìn)步
該套件還包括配有一個(gè)“輕量級(jí)”GCC 編譯器的Microchip MPLAB IDE。文檔中關(guān)于“輕量級(jí)”編譯器的說(shuō)明有點(diǎn)矛盾。“輕量級(jí)”版本編譯器暗示不支持先進(jìn)的代碼優(yōu)化，但是我拿到的版本顯然不是這樣，在下一節(jié)你將看到這一點(diǎn)?；蛟S實(shí)際上該工具包是所謂的“評(píng)估”版本，支持所有功能，但只有60 天有效期。[!--empirenews.page--]
PIC32 采用的架構(gòu)來(lái)源于“計(jì)算”，因此它非常適合管理面向PC 的以太網(wǎng)和USB 接口。讓我們看一些演示程序，你就會(huì)明白我的意思。
多年來(lái)Microchip 一直在為其小型的PIC 芯片提供部分網(wǎng)絡(luò)軟件棧，PIC32 做得更多，它提供了全功能、免費(fèi)的BSD TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)堆棧。包含所有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、套接字等，以及這些常用的協(xié)議：DHCP、UDP、ICMP、ARR 等?！?95 型芯片中有512KB 的片上flash，有充足的空間存儲(chǔ)一些漂亮的演示程序，讓我們?yōu)g覽一下入門(mén)電路板（見(jiàn)照片2）。
照片2：當(dāng)把一個(gè)“計(jì)算”架構(gòu)裁剪為“微控制器”使用時(shí)，誠(chéng)然會(huì)有很多挑戰(zhàn)；但同時(shí)也能繼承很多好處，比如這里看到的免費(fèi)BSD TCP/IP堆棧。
USB 支持不錯(cuò)。OTG功能允許一個(gè)設(shè)備在USB 主、從設(shè)備之間動(dòng)態(tài)切換。一個(gè)典型的應(yīng)用案例是打印機(jī)，當(dāng)連接到PC 時(shí)它是一個(gè)從設(shè)備，而當(dāng)連接到相機(jī)時(shí)它成為主設(shè)備?，F(xiàn)在所有的USB 芯片似乎都有OTG 了，不過(guò)我自己從沒(méi)有遇到過(guò)需要以這種方式切換的情況。
不管 OTG 是否真正有用，它使得PIC32 能在更多的傳統(tǒng)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，無(wú)論是作為主設(shè)備或從設(shè)備。USB“嵌入式主設(shè)備”在使用中有一些限制，不像“標(biāo)準(zhǔn)主設(shè)備”如電腦，舉例來(lái)說(shuō)PIC32 不提供VBUS 電源（100-500 mA）,但是你可以在個(gè)人電腦的USB接口上找到這種電源——當(dāng)然這完全可以理解。另外，速度限制也需要注意，，作為從設(shè)備時(shí)能夠“全速”（12 Mbps），而作為主設(shè)備時(shí)只能提供“低速”（1.5 Mbps）。
這個(gè)套件包含了一些實(shí)用的演示。其中一個(gè)演示讓該板子成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)接口設(shè)備（HID）——比如鼠標(biāo)。因?yàn)镠ID 驅(qū)動(dòng)已經(jīng)是標(biāo)準(zhǔn)，你可以把它直接插入PC 使用。另外，你可以把這個(gè)套件配置成USB 主設(shè)備,從而利用PIC32 不斷完善的FAT 文件管理軟件庫(kù)，有一些演示展示了如何訪問(wèn)廣泛使用的USB 存儲(chǔ)器（見(jiàn)照片3）。
照片3：另一個(gè)免費(fèi)軟件是USB主、從設(shè)備驅(qū)動(dòng)，這里演示的是利用集成的FAT文件系統(tǒng)，以USB主設(shè)備訪問(wèn)一個(gè)USB存儲(chǔ)器
不過(guò)需要指出的是這個(gè)套件中沒(méi)有包含CAN 演示。因?yàn)槲也欢矝](méi)有實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行有意義的CAN 測(cè)試，如果你需要該功能，你需要自己來(lái)評(píng)估和結(jié)論。
優(yōu)化的迷宮
結(jié)構(gòu)體系進(jìn)化的重要標(biāo)志之一，曾經(jīng)是編譯器的優(yōu)化。您可能還記得有些人把“RISC”縮寫(xiě)調(diào)侃為“Relegate the Impossible Stuff to the Compiler”，即“把不可能完成的任務(wù)丟給編譯器”。然而，在調(diào)試時(shí),一個(gè)太過(guò)自我聰明的編譯器其問(wèn)題也是顯而易見(jiàn)的。比如PIC32 的“C”編譯手冊(cè)有提到說(shuō)，當(dāng)調(diào)試經(jīng)過(guò)優(yōu)化的代碼時(shí)“可能偶爾會(huì)碰到令人驚訝的結(jié)果。”
例如，有些變量和代碼會(huì)消失，如果編譯器認(rèn)為你其實(shí)并不需要它們。舉例說(shuō)你聲明了一個(gè)變量，然后給它賦值一個(gè)常數(shù)，接著在某個(gè)計(jì)算時(shí)調(diào)用了這個(gè)變量。不要為找不到那個(gè)變量和賦值語(yǔ)句而抓狂，編譯器只是比你更聰明一點(diǎn)，它在計(jì)算中直接調(diào)用了常數(shù)。
當(dāng)你在一個(gè)條件分支指令處點(diǎn)擊了單步執(zhí)行，然后看到光標(biāo)移動(dòng)到了下一條指令處，這是否意味該條件分支的條件未被滿足呢？未必，請(qǐng)注意這是MIPS 架構(gòu)的一個(gè)特性，即分支指令的下一條指令總是會(huì)被執(zhí)行，當(dāng)編譯器找不到合適的指令時(shí)會(huì)填充一條NOP 指令。你必須再執(zhí)行一次單步操作，才能確認(rèn)分支條件是否被滿足（在這種情況下，你會(huì)看到光標(biāo)跳到分支目標(biāo)處）或不滿足（光標(biāo)跳轉(zhuǎn)到下一條順序指令）。更先進(jìn)的“代碼移動(dòng)”優(yōu)化能夠?qū)е赂嗟膬?yōu)化干預(yù)。請(qǐng)記住，有時(shí)指令可以被挪動(dòng)很遠(yuǎn)的距離，甚至超出你認(rèn)為應(yīng)在的循環(huán)之外。
不過(guò)，調(diào)試優(yōu)化過(guò)的代碼也是可能的，尤其是你喜歡頭腦風(fēng)暴的話（例如，在分支指令后跟一個(gè)分支指令會(huì)發(fā)生什么？）。通常缺省的編譯器優(yōu)化只生成簡(jiǎn)單的代碼，會(huì)完整保留你的意圖即使可能它效率底下。當(dāng)調(diào)試時(shí)在斷點(diǎn)觸發(fā)處，，你可以放心地修改某個(gè)變量的值，而不用擔(dān)心編譯器會(huì)搗什么鬼(比如雖然你從源代碼中看不到，但一些賦值語(yǔ)句已經(jīng)被挪動(dòng)并執(zhí)行了)。[!--empirenews.page--]
照片4：搞“計(jì)算”的人擅長(zhǎng)編譯優(yōu)化，如這里所示，從速度、代碼尺寸到編譯時(shí)間，有廣泛的選擇空間可選
需要緊記的是，編譯器優(yōu)化設(shè)置（見(jiàn)照片4）能夠產(chǎn)生很大影響。我試著跑過(guò)一個(gè)USB主機(jī)演示程序，采用了如表1 所示的不同編譯器設(shè)置，你可以看到，不同設(shè)置下（速度/大小取向、循環(huán)展開(kāi)，采取MIPS-16 的16 位代碼優(yōu)化選項(xiàng)）生成的代碼大小相差能夠高達(dá)2倍。
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Optimization Level
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Code Size (KB) - 32-bit
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Code Size (KB) - 32-bit with loop unrolling
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Code Size (KB) - 16-bit
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"0" - No optimization, debugging produces expected results
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27
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27
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20
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"1" - Reduces code size, increases speed and compile time
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20
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16
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"2" - Full optimization, further increases speed and compile time
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19
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15
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"s" - Level "2" optimizations that do not increase code size and others to reduce code size
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18
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21
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15
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"3" - Level "2" optimizations and function inlining
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24
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32
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19
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表1：聰明的編譯器總歸不錯(cuò)，但是要留意可能會(huì)給調(diào)試工作帶來(lái)副作用。應(yīng)首選保證你的代碼正確工作，然后再考慮進(jìn)一步優(yōu)化
保持簡(jiǎn)潔
PIC32 在精簡(jiǎn)MIPS 架構(gòu)使其服務(wù)于嵌入式應(yīng)用方面做得很好。比如，全部的活動(dòng)功耗只有1mA/MHz 水平，從它提供的性能來(lái)看這是非常難得的。它們的批量?jī)r(jià)格也比較合理，特別考慮到那些完整的外設(shè)和存儲(chǔ)器配備。
然而競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈，像Cortex - M3、瑞薩SH（現(xiàn)在叫RX）、愛(ài)特梅爾的AVR32 以及飛思卡爾的ColdFire 等。這些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在行業(yè)里已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間,它們的產(chǎn)品也具有很廣的覆蓋面，在高端產(chǎn)品上能提供跟PIC32類(lèi)似的集成度和性能，同時(shí)還有許多入門(mén)級(jí)的簡(jiǎn)單產(chǎn)品。
我認(rèn)為MIPS 也在低端產(chǎn)品線上延伸，他們最近發(fā)布的“M14K”內(nèi)核就是明證，在保留當(dāng)前版本性能的基礎(chǔ)上，在代碼密度、中斷響應(yīng)和外設(shè)一致性上取得了非常大的進(jìn)步。
其中最深刻的變化是一套新的“microMIPS”指令集。類(lèi)似于ARM 的Thumb-2，microMIPS 采用了可變長(zhǎng)度的操作碼（16 和32 位），以同時(shí)取得兩者的優(yōu)點(diǎn)，即接近32位代碼的性能和16 位代碼的密度（見(jiàn)圖2）。定長(zhǎng)指令集是原始RISC 革命的標(biāo)志性特點(diǎn)，這在當(dāng)時(shí)是合理的（雖然我并沒(méi)有覺(jué)得），但在今天，架構(gòu)師們意識(shí)到用32 位存儲(chǔ)器（即使不考慮功耗的開(kāi)銷(xiāo)）只是做個(gè)寄存器累加或短跳轉(zhuǎn)是沒(méi)有意義的。同上，在軟件方面，編譯器和IDE 都很好，但MIPS 和Microchip 也應(yīng)該注意那些簡(jiǎn)單的替代產(chǎn)品，如ARM 的mbed、AVR 的Arduino，還有他們自己陣營(yíng)的PICAXE。有些人可能還認(rèn)為32 位芯片只是火箭科學(xué)家的事，但火箭能賣(mài)掉多少個(gè)？
圖2：MIPS M14K進(jìn)一步丟棄了“計(jì)算”架構(gòu)中的包袱，如造成代碼膨脹的32位定長(zhǎng)指令，使得在保留高性能的同時(shí)，極大地減小了代碼大小
想賣(mài)出更多的芯片嗎？很簡(jiǎn)單，只要做到更低功耗低、更易使用、更便宜。然后接著再這樣繼續(xù)。
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Tom cantrell 在芯片、板子和系統(tǒng)設(shè)計(jì)及市場(chǎng)推廣方面有多年經(jīng)驗(yàn)。您可以通過(guò)電子郵件tom.cantrell@ circuitcellar.com 聯(lián)系他。
本文曾發(fā)表于 《Circuit Cellar》2010年8月（總第241期，http://www.circuitcellar.com/），作者Tom Cantrell
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