成功的嵌入式設計需要指令集之外的諸多因素

 當談到32 位微控制器時，基于ARM 的產品已經占據(jù)重要地位。那么，這會是故事的全部嗎？不見得，行業(yè)內最重要的公司之一，Microchip Technology，正全力推動其基于MIPS 架構的芯片。他們最新推出的產品在提醒我們，成功的嵌入式設計需要指令集之外的諸多因素。

在計算機歷史上，從實驗室走出過多少種不同的指令集架構？可能曾經有數(shù)百種架構取得過一些商業(yè)上的成功； 如果算上諸多博士論文中出現(xiàn)過的，數(shù)目可能會多達幾千種。拿流行時尚做比喻，計算機體系結構發(fā)展就好似女生裙擺的高度一般，經常來回變化。

曾經有一段時間它非常要緊—— 比如在匯編語言編程的時期。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)行以前的二進制文件）。但實際上，嚴格的目標代碼兼容性對多數(shù)嵌入式設計來說已經不再是一個大問題。更多的問題是關于工具鏈的兼容性和代碼模塊的可用性，指令集本身已經不是問題之一。

隨著芯片不斷地集成系統(tǒng)功能，設計人員需要的是一個擁有全部所需存儲器、外設和膠合邏輯的芯片。并且這個芯片必須省電、有良好的工具和支持，以及合適的價格。

這并不是說在特定的應用當中，體系結構并沒有優(yōu)劣之分。事實上，這個問題很有趣，看看那些當初為“計算機”設計的架構—— 如 ARM 和MIPS，不斷下沉，以更好地適應嵌入式“控制器”應用的需求。這些“計算機”架構最后都終于認識到要在嵌入式應用里面解決諸如代碼密度、低功耗、快速并確定的中斷響應等問題。

認識 PIC32

在 MCU 領域的競爭里，無疑MIPS 是在追趕ARM。但是，擁有像Microchip 這樣的重量級選手支持，差距正在縮小?？纯葱碌腜IC32 5XX/6XX/7xx 系列產品，高度集成了以太網、USB 和CAN 應用。

我在以前的文章中（“MIPS for the Masses”，Circuit cellar 216 期，2008）介紹過PIC32的內核。擁有5 級流水線，性能相對較高（比如與ARM Cortex - M3 相比）。不過，這只是處理器內核級別的性能差異。比如Microchip PIC32 的性能為1.5 DMIPS / MHz，而Cortex - M3是1.25 DMIPS / MHz 的。在實際中，32 位微控制器的flash 存儲器訪問時間是性能瓶頸。如以80MHz 運行的PIC32 可能需要2 個等待周期。通常采用寬總線（128 位）、高速緩存和預取等技術來減輕flash 訪問的瓶頸問題。

或者，可以使用片內的RAM來達到0 等待周期。’5xx 系列包含64KB 的RAM，’6xx’和7xx 系列中的部分型號有多達128KB 的RAM。不過要記住，代碼和數(shù)據(jù)訪問之間的爭搶可能導致一些延遲。此外,256KB 或512KB 的flash 空間足夠用來放置你的代碼（加上額外12 KB 的啟動代碼空間）。

外設方面，這些新產品提供了完整的I/O（見圖1）。 ‘5xx/6xx/7xx 編號代表了大的接口功能：USB、CAN 和以太網。‘5xx 系列包含一個USB 2.0 和一個CAN（2.0b）模塊；‘6xx系列包含USB 模塊與一個10/100 以太網MAC。而‘7xx 系列集成了所有這些，包含USB、以太網和兩個CAN 模塊。

普通 I/O 方面，這些產品遵循了不同應用需求的趨勢。我們看到5 個16 位計數(shù)器/定時器，其中任何兩對可以組合成為32 位單元。由于封裝尺寸（有64 腳和100 腳可選)和引腳復用的限制,你能得到最多六個UART、四個SPI 以及五個I2C 接口。在模擬方面，有一個16通道多路復用器連接一個10 位1 MSPS 的ADC 和兩個模擬比較器。除了這些MCU 能力，另外還有8/16 位數(shù)據(jù)總線和16 位地址總線擴展功能，外加兩個片選。所有的數(shù)據(jù)流可以通過8個通用DMA通道控制，輔以4個專用DMA通道(‘‘5XX 和‘‘6XX 系列)或8個專用DMA通道(‘‘7XX 系列)。

源自上世紀80 年代的MIPS 是RISC 方面“精簡”特性的杰出代表。當響應中斷時，它們可以要對PC 和狀態(tài)寄存器壓棧，不然的話就轉由軟件去處理。對這種極端簡約存在一些爭議，可能少了一些有用的東西。考慮到這一點，PIC32 系列包括一個全功能優(yōu)先級/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和上下文切換。

另外，不要忽視那些可能導致嚴重預算問題的膠合邏輯，如看門狗定時器、低電壓檢測、電壓整流器、主時鐘/外設時鐘/實時時鐘等。這些功能的集成，使PIC32 系列成為真正適用于“控制”應用的芯片，有別于“計算機”芯片。

入門

跟以前一樣，Microchip 的芯片評估很容易，而且便宜。PIC32 以太網入門套件（見照片1）定價$72，提供一切你需要的部件。雖然名字為“以太網”入門套件，該套件配備了高端的‘‘795 型號MCU，同時支持USB 功能。

該套件還包括配有一個“輕量級”GCC 編譯器的Microchip MPLAB IDE。文檔中關于“輕量級”編譯器的說明有點矛盾。“輕量級”版本編譯器暗示不支持先進的代碼優(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。或許實際上該工具包是所謂的“評估”版本，支持所有功能，但只有60 天有效期。

PIC32 采用的架構來源于“計算”，因此它非常適合管理面向PC 的以太網和USB 接口。讓我們看一些演示程序，你就會明白我的意思。

多年來Microchip 一直在為其小型的PIC 芯片提供部分網絡軟件棧，PIC32 做得更多，它提供了全功能、免費的BSD TCP/IP 網絡堆棧。包含所有的網絡服務、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，有充足的空間存儲一些漂亮的演示程序，讓我們?yōu)g覽一下入門電路板（見照片2）。

USB 支持不錯，。OTG功能允許一個設備在USB 主、從設備之間動態(tài)切換。一個典型的應用案例是打印機，當連接到PC 時它是一個從設備，而當連接到相機時它成為主設備。現(xiàn)在所有的USB 芯片似乎都有OTG 了，不過我自己從沒有遇到過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)領域中得到應用，無論是作為主設備或從設備。USB“嵌入式主設備”在使用中有一些限制，不像“標準主設備”如電腦，舉例來說PIC32 不提供VBUS 電源（100-500 mA）,但是你可以在個人電腦的USB接口上找到這種電源——當然這完全可以理解。另外，速度限制也需要注意，，作為從設備時能夠“全速”（12 Mbps），而作為主設備時只能提供“低速”（1.5 Mbps）。

這個套件包含了一些實用的演示。其中一個演示讓該板子成為一個標準人機接口設備（HID）——比如鼠標。因為HID 驅動已經是標準，你可以把它直接插入PC 使用。另外，你可以把這個套件配置成USB 主設備,從而利用PIC32 不斷完善的FAT 文件管理軟件庫，有一些演示展示了如何訪問廣泛使用的USB 存儲器（見照片3）。

不過需要指出的是這個套件中沒有包含CAN 演示。因為我不懂也沒有實驗條件進行有意義的CAN 測試，如果你需要該功能，你需要自己來評估和結論。

優(yōu)化的迷宮

結構體系進化的重要標志之一，曾經是編譯器的優(yōu)化。您可能還記得有些人把“RISC”縮寫調侃為“Relegate the Impossible Stuff to the Compiler”，即“把不可能完成的任務丟給編譯器”。然而，在調試時,一個太過自我聰明的編譯器其問題也是顯而易見的。比如PIC32 的“C”編譯手冊有提到說，當調試經過優(yōu)化的代碼時“可能偶爾會碰到令人驚訝的結果。”

例如，有些變量和代碼會消失，如果編譯器認為你其實并不需要它們。舉例說你聲明了一個變量，然后給它賦值一個常數(shù)，接著在某個計算時調用了這個變量。不要為找不到那個變量和賦值語句而抓狂，編譯器只是比你更聰明一點，它在計算中直接調用了常數(shù)。

當你在一個條件分支指令處點擊了單步執(zhí)行，然后看到光標移動到了下一條指令處，這是否意味該條件分支的條件未被滿足呢？未必，請注意這是MIPS 架構的一個特性，即分支指令的下一條指令總是會被執(zhí)行，當編譯器找不到合適的指令時會填充一條NOP 指令。你必須再執(zhí)行一次單步操作，才能確認分支條件是否被滿足（在這種情況下，你會看到光標跳到分支目標處）或不滿足（光標跳轉到下一條順序指令）。更先進的“代碼移動”優(yōu)化能夠導致更多的優(yōu)化干預。請記住，有時指令可以被挪動很遠的距離，甚至超出你認為應在的循環(huán)之外。

不過，調試優(yōu)化過的代碼也是可能的，尤其是你喜歡頭腦風暴的話（例如，在分支指令后跟一個分支指令會發(fā)生什么？）。通常缺省的編譯器優(yōu)化只生成簡單的代碼，會完整保留你的意圖即使可能它效率底下。當調試時在斷點觸發(fā)處，，你可以放心地修改某個變量的值，而不用擔心編譯器會搗什么鬼(比如雖然你從源代碼中看不到，但一些賦值語句已經被挪動并執(zhí)行了)。

需要緊記的是，編譯器優(yōu)化設置（見照片4）能夠產生很大影響。我試著跑過一個USB主機演示程序，采用了如表1 所示的不同編譯器設置，你可以看到，不同設置下（速度/大小取向、循環(huán)展開，采取MIPS-16 的16 位代碼優(yōu)化選項）生成的代碼大小相差能夠高達2倍。


保持簡潔

PIC32 在精簡MIPS 架構使其服務于嵌入式應用方面做得很好。比如，全部的活動功耗只有1mA/MHz 水平，從它提供的性能來看這是非常難得的。它們的批量價格也比較合理，特別考慮到那些完整的外設和存儲器配備。

然而競爭也非常激烈，像Cortex - M3、瑞薩SH（現(xiàn)在叫RX）、愛特梅爾的AVR32 以及飛思卡爾的ColdFire 等。這些競爭對手在行業(yè)里已經有很長的時間,它們的產品也具有很廣的覆蓋面，在高端產品上能提供跟PIC32類似的集成度和性能，同時還有許多入門級的簡單產品。