改善嵌入式系統(tǒng)實時效能的新途徑

在這個日趨復(fù)雜的世界,對于嵌入式處理器的要求也愈來愈高。去年也許使用128k的程序及4個實時處理緒列便足以執(zhí)行應(yīng)用程序,但是今年的產(chǎn)品規(guī)格已將所需內(nèi)存提升為兩倍,中斷處理提高為三倍。要處理的信息本質(zhì)似乎非常穩(wěn)定－其實遠(yuǎn)比您想象的還要多！去年的微控制器必須在兩個通訊總線上處理25筆4位的訊息,而今年已經(jīng)必須要在4個通訊總線上處理200筆4位的訊息。在面對這種不斷升高的工作負(fù)荷時,自然傾向?qū)で蟾鼜姶蟮奶幚砥鱽韴?zhí)行工作。一般來說處理器效能的傳統(tǒng)趨勢是提升速度及數(shù)據(jù)總線,所以一個8位處理器可從8MHz提升到16MHz,一個16位的裝置升級為一個32位的裝置。但是,兩種作法都必須付出應(yīng)用上的成本。更快的裝置可能消耗更多的電力,而且較不符合EMC的要求,更大的位寬度則會造成先前的軟件投資優(yōu)勢盡失,并導(dǎo)致更多的冗余(例如使用32位的緩存器來處理4位的資料)。

　　飛思卡爾半導(dǎo)體(前身為Motorola半導(dǎo)體產(chǎn)品部門)了解這個持續(xù)的趨勢,因此在其新研發(fā)的S12X架構(gòu)中采用創(chuàng)新的方法,可兼顧效能的提升與向后兼容性,并專注在效能提升的問題。這個新設(shè)計可在需要之處提升處理器的效能,也就是能實時處理信息。

　　動態(tài)內(nèi)存存取(DMA)

　　改善系統(tǒng)實時效能的一個熟知的方法是,額外提供一個邏輯模塊,在事件發(fā)生時產(chǎn)生響應(yīng),并允許處理器在較方便的時間來處理信息。這個DMA控制器通常將傳送到模塊的信息復(fù)制到內(nèi)存(RAM),并允許已處理的信息自動從內(nèi)存移到外部外圍裝置。所有這些工作皆獨立于目前的CPU活動－詳見圖1。這種方式肯定有所助益,但其效益僅限于延遲必然發(fā)生的事件－CPU還是得在某一時間處理信息。S12X采用一個根本的方法,即提供「智能型DMA」控制器,不只移動資料,同時直接執(zhí)行所有的處理工作。如圖2所示,這個新的XGate可以從外圍裝罝擷取信息,連同其它資料(例如內(nèi)存中的資料)一并處理,然后傳送到另一個外圍裝置,其間完全不需CPU的介入。
 

[!--empirenews.page--]XGate控制器已完全整合到新推出的MC9S12XDP512微控制器－暢銷的飛思卡爾半導(dǎo)體S12家族最新成員。XGate是一個可程序的16位RISC核心,極適用于實時及DMA類型運作。與S12X裝置的整合意謂從微控制器的任何一個外圍裝置傳來的中斷都可以由主CPU或XGate處理。XGate可以：（1）讀寫所有外圍裝置及內(nèi)存：（2）讀取閃存(flash)中的信息。

　　可設(shè)定以執(zhí)行復(fù)雜的工作
　　為了讓XGate達(dá)到最大效能,其主要程序通常儲存位于內(nèi)存中。這使得80MHz的時脈可應(yīng)用于控制器,相對于S12X CPU只需使用40MHz。而且,S12X架構(gòu)不同于傳統(tǒng)的DMA,可保證XGate每一個CPU周期至少可存取內(nèi)存一次。

　　XGate編程

　　如要讓「智能型DMA」更為實用,必須使它容易編程。在理想的環(huán)境下,軟件工程師應(yīng)該能夠?qū)胍訡語言編寫的既有程序代碼,并針對DMA重新組譯?；谶@個原因,XGate選擇16位RISC機器作為程序撰寫模式,并有適用于C語言程序的指令集。

　　一般的系統(tǒng)完整性檢查系透過CRC16計算,也就是對一組資料模塊進行多項式計算,并透過產(chǎn)生最終檢核碼的值,來確認(rèn)內(nèi)存內(nèi)容符合預(yù)期。這種算法可利用周期性的中斷來呼叫。飛思卡爾S12 MCU的這種算法之典型建置如圖3所示。在S12X上,此一算法可在XGate定期重新組譯及執(zhí)行,其好處是系統(tǒng)設(shè)計者可在CPU上執(zhí)行更多處理,卻不會降低系統(tǒng)檢查的效益。XGate不僅釋放CPU給其它活動,同時還使這個簡單算法的執(zhí)行時間,獲得了4倍的驚人改善。這也讓設(shè)計者可以在相同期間所執(zhí)行的CRC演算次數(shù)高4倍,藉此改善系統(tǒng)的自我檢查能力。值得注意的是,這項革命性的架構(gòu)方法,僅透過簡單的重新組譯及重新導(dǎo)向周期性的中斷,便可帶來這些重大的優(yōu)點。

　　S12X的自動化應(yīng)用

　　大多數(shù)汽車應(yīng)用對實時效能的要求都很高,通常超過模塊的實際功能。例如汽車的儀表板必須可以顯示車輛目前的狀態(tài),同時可接收并處理從傳感器傳來的實時訊息。由于XGate不僅可以接收這項信息,還可予以格式化并儲存,因此CPU可用來響應(yīng)駕駛?cè)嘶拥臅r間便大量增加,更可減少顯示器可能出現(xiàn)的噪聲干擾。

　　根據(jù)廣泛使用的S12架構(gòu),這種雙重方法的好處就非常明顯了。

　　大多數(shù)現(xiàn)代化汽車都是利用通訊網(wǎng)關(guān)來允許不同的通訊網(wǎng)路互傳訊息。此外,網(wǎng)關(guān)還可以執(zhí)行其它功能。XGate可以在大約4μs內(nèi)執(zhí)行一個典型的網(wǎng)關(guān)工作(檢查CAN ID,儲存于內(nèi)存,然后復(fù)制到傳送緩沖器(transmit buffer)中),而S12需9μs。這表示使用XGate,CPU可儲存高于9us的中斷。對一個具有5個CAN網(wǎng)絡(luò)完全滿載的非常忙碌連接網(wǎng)關(guān)而言,它可節(jié)省超過20%的CPU處理能力,卻僅用到XGate的10%。

　　對于一個更復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)而言,要將個別位字段或訊號在多個CAN上進行路由傳送,XGate的處理速度通常可高于每秒處理35000 則訊息。

　　利用軟件建立自訂的解決方案

　　標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式軟件設(shè)計活動就是建立硬件外圍裝置的軟件版本。典型的實例包括運用I/O建立一個序列通訊端口,或額外的PWM信道。S12X架構(gòu)藉由建立高度復(fù)雜的「虛擬外圍裝置」,讓這種設(shè)計方法邁入新的層次。由于CPU的實時響應(yīng)不受外在事件的影響,它可在配有一個基本CAN模塊的裝置上,直接建置完整的CAN節(jié)點,從標(biāo)準(zhǔn)的串行端口建立LIN模塊,從單一的定時器提供40個 PWM信道,還可提供其它變化的方式。由于這些變化完全由軟件控制,便可以混合及搭配各式組合。需要3個32個信箱的CAN模塊及2個8個信箱的模塊？沒問題！和另外一種將所有模塊都建置在硬件中的方法相比,這簡直是莫大的妙用,后者恐怕必須用到所有架構(gòu)內(nèi)的可能配置, 成本也會大幅增加。?

　　 簡化實時設(shè)計

　　除了提供改善的實時效能,這種雙重架構(gòu)途徑也可為實時軟件設(shè)計者帶來意想不到的好處。許多架構(gòu)式分析及設(shè)計工具依賴設(shè)計者將資料流處理與實時或控制處理分開。這個方法可以簡化高階設(shè)計,但卻隱藏了在建置時潛藏的效能問題。有了S12X,設(shè)計者可輕易確保實時處理不會互相沖突,因為主CPU可以完全將重心放在主要資料的處理。