| 如何在復雜設計中部署處理特定任務的單片機（MCU）？ |
| 日期：2022/5/13 11:11:47 作者： |
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如今，運行實時操作系統（RTOS）的大型32位單片機（MCU）和微處理器（MPU）日益普及。不過，如果使用一個大型單片機處理復雜的應用，可能會在執行小型后臺處理任務時遇到CPU資源方面的問題，這些任務雖然并不復雜，但十分耗時。8位和16位MCU等小型器件可用于減輕32位器件的工作負荷。
試想一下這樣一個示例：將一個32位MCU用于控制汽車的非安全功能，如娛樂系統、環境照明和空調。此32位器件必須對其資源進行分配，以便處理與這些功能相關的所有任務。這樣的任務還包括測量駕駛室內多個點的溫度、打開/關閉空調系統、更新圖形顯示、處理用戶輸入、調整照明條件和播放音樂。即使對于大型32位器件，這些工作量也過于繁重。
但是，如果32位器件將部分任務負荷轉移給幾乎不需要監控的子處理器，每個子處理器僅負責處理其中的1或2個任務，那么這些任務會更易于管理。這可以釋放主處理器上的CPU資源，從而降低軟件的復雜性，同時提高性能并縮短執行時間。
這種解決方案與單片機中的外設有異曲同工之妙。外設是專用硬件的小型模塊，可以添加新功能（例如運算放大器或模數轉換器），也可以減少執行給定功能時CPU必須承擔的工作量。在某些情況下，初始化后，外設可獨立于CPU運行。
為了說明外設的優勢，我們以產生脈寬調制（PWM）信號為例。要在沒有專用外設的情況下產生PWM，只需將I/O線設為高電平，等待一定數量的周期后，將其設為低電平，再等待一段時間，然后重復操作。這會占用大量CPU周期，并且對于某些功能（如RTOS）來說，難以可靠地執行。相比之下，PWM外設允許CPU在執行其他任務的同時設置所需的波形參數。
本文中介紹的第一個示例說明了減輕CPU密集型任務負荷的優勢。在該案例中，使用了一個8位MCU來創建I/O擴展器。I/O擴展器并不復雜；然而，由于需要頻繁處理中斷，因此它們會占用大量的CPU時間。通過使用專用MCU來完成這項任務，大型32位器件可以減少I/O使用和需要處理的中斷次數。此外，I/O擴展器的功能集可在軟件中設置，因此支持針對應用進行定制和調整。
本文中的第二個示例以創建獨立于CPU運行的電壓頻率（V/F）轉換器為例，展示了獨立于內核的外設的性能。在這個示例中，CPU的唯一功能是初始化外設并將調試打印消息發送到UART。在大型系統中，當V/F在后臺運行時，CPU可以執行另一個簡單的任務。
I/O擴展器
使用8位MCU創建I/O擴展器的最大好處是提高靈活性。I/O擴展器ASIC的功能集已嵌入到器件中，而MCU可基于其執行的軟件定義其行為。這種靈活性使基于MCU的版本能夠滿足最終應用的需求。
實現高級I/O擴展器
在器件內部，高級I/O擴展器在基于查找表的結構上運行。在讀取或寫入之前，會發送一個虛擬地址。該地址與單片機上的寄存器無關——僅特定于查找表。這意味著，可以透明地添加不在單片機硬件寄存器中的功能。此外，還可以針對特定用途，輕松地重新排列表格中的條目。這種結構的另一個優勢是，能夠向查找表添加權限。例如，要創建一個只讀寄存器，只需省略查找表的寫條目即可。
這種較為復雜的結構也適用于非標準功能�！癕EM OP”功能允許MCU將其當前的通用輸入和輸出（GPIO）配置保存或加載到存儲器中。
MEM OP也可以將GPIO配置重置為編譯時設置的參數。此外，也可以選擇將單片機設置為在上電時加載保存的設置。如果已使能，單片機會嘗試加載配置0中的設置。如果配置執行校驗和驗證失敗，則MCU將恢復為編譯時常數。如果不需要，可以在軟件中禁用此功能。
該解決方案的要點
基于MCU的解決方案的優勢在于出色的靈活性。與市場上的ASIC不同，我們可以為MCU配置特定于應用場景的非標準功能。此應用程序針對通用PIC16F15244系列MCU開發。
如需深入了解該實現或想要試用該示例，請參見源資源庫中的README文件。此外，還提供帶有Arduino的高級I/O擴展器的演示。源代碼、文檔和演示：https://github.com/microchip-pic-avr-examples/pic16f15244-family-advanced-i2c-io-expander
電壓頻率（V/F）轉換器
通過降低物料清單（BOM）成本，進而減小設計面積，電壓頻率轉換器可改進傳統的模擬解決方案。市場上的許多V/F轉換器需要配備外部電阻和電容才能運行，而單片機只需使用通用去耦和上拉組件（所有MCU的必備組件）即可運行。
MCU不使用模擬技術進行數字化，而是使用獨立于內核的外設和功能的組合。MCU使用內部帶計算功能的模數轉換器（ADCC）測量輸入信號，然后對時鐘信號進行分頻，以創建可變頻率輸出。在該示例中，外設已設置為在初始化后獨立于CPU運行。這意味著，CPU可以用于最終應用中的其他任務。
對于基于MCU的方案，其挑戰在于性能不如模擬解決方案。輸出的分辨率本身受到ADCC的限制。表面上看，ADCC為12位，但它會以配置為過采樣的14位分辨率運行，具體取決于程序的配置方式。同樣，用于合成輸出頻率的片內數控振蕩器（NCO）具有有限的分辨率，并且其輸出中可能存在抖動，具體取決于ADC測得的值。
基于MCU的解決方案可以分為三個不同的外設模塊——模擬采樣模塊、輸出振蕩器模塊和占空比發生器。
模擬采樣模塊
模擬采樣模塊負責執行模數轉換。為了在器件的頻率限制下實現100 kHz的輸出，已將ADCC配置為過采樣，然后通過平均值處理獲得14位結果。
這種過采樣配置有一個缺點，即向結果中增加額外的統計噪聲，可采取計算過采樣的平均值并增加滯后的方法來補償噪聲。要實現滯后，可使用ADCC的閾值中斷功能。（為簡單起見，將僅介紹有關此示例如何使用閾值中斷功能的細節。）
在ADCC完成過采樣的平均值計算后，將得出的值與外設中的設定值寄存器進行比較。如果兩者之差大于或小于設定閾值，則觸發中斷。CPU可屏蔽此中斷且不受影響，然而，此中斷會觸發直接存儲器訪問（DMA），將經過平均值處理的過采樣結果復制到ADCC的設定值寄存器，從而產生滯后。如果未超過閾值，則不會發生DMA復制，從而不會觸發輸出振蕩器模塊的DMA更新。
輸出振蕩器模塊
該解決方案的輸出振蕩器模塊負責以所需輸出頻率產生時鐘信號。該輸出信號在內部連接到占空比發生器，該元件將輸出頻率減半，但會產生50%的占空比輸出。因此，輸出振蕩器模塊以輸出頻率的兩倍運行。
輸出振蕩器模塊的核心是數控振蕩器（NCO）。NCO外設的工作原理是在輸入時鐘的上升沿向累加器添加增量值，然后根據累加器溢出導出外設的輸出。（有關NCO的完整說明，請參見數據手冊。）
在該示例中，已將NCO2設置為在內部創建所需的輸入時鐘頻率，以通過14位輸入獲得100 kHz輸出。之所以使用14位結果，是因為ADCC本身的12位結果不足以在沒有外部時鐘源的情況下產生100 kHz輸出。
ADC結果 NCO1輸出（翻倍） 輸出頻率
0x0000 0Hz 0Hz
0x0001 12.2Hz 6.1Hz
0x0100 3.1kHz 1.6kHz
0x1000 50kHz 25kHz
0x3FFF 200kHz 100kHz
100 kHz V/F轉換器的理想輸出（看門狗已關閉）。
如果改變NCO2的輸出頻率或使用備用源，則輸出頻率將調整為不同的輸出范圍。例如，如果NCO2的頻率降低到1.28MHz，則輸出最大為10kHz。
ADC結果 NCO1輸出頻率（翻倍） 輸出頻率
0x0000 0Hz 0Hz
0x0001 1.2Hz 0.6Hz
0x0100 312.5Hz 156.3Hz
0x1000 5 kHz 2.5kHz
0x3FFF 20kHz 10kHz
10kHz V/F轉換器的理想輸出（看門狗已關閉）。
占空比發生器
該解決方案的占空比發生器模塊負責創建50%的占空比輸出。這是一個可選功能——可以直接使用NCO的輸出，但這樣做會增加占空比的變化幅度。
該生成器使用一個可配置邏輯單元（CLC）實現。CLC是可配置邏輯的小型模塊，類似于現場可編程門陣列（FPGA）的一個單元。CLC可用作離散邏輯門（例如AND-OR或OR-XOR），也可以配置為鎖存器或觸發器。在該解決方案中，CLC實現為帶復位功能的J-K觸發器。J和K保持在邏輯高電平。輸出振蕩器模塊用作觸發器的時鐘。每個輸入時鐘脈沖均會導致輸出翻轉，從而產生50%的占空比。注意：輸出振蕩器模塊的頻率抖動將對占空比產生影響。
Timer 6用作不穩定的“看門狗”定時器。如果輸出沒有產生邊沿（上升沿或下降沿），則定時器將溢出，并將產生的時鐘脈沖發送到CLC，這可以控制輸出頻率范圍的下限。輸出翻轉到定時器頻率的一半（輸出為6Hz），而不是達到直流。
該解決方案的要點
該示例表明，要使用硬件外設創建獨立于內核的功能，通常必須使用外部集成電路。這種配置的一個最大優勢在于，外設操作可在軟件中設置，這樣便可輕松地根據最終應用調整示例。由于使用了大量外設，因此選擇PIC18-Q43系列MCU來實現該示例。
有關該示例的更多信息，請參見示例資源庫中的README文檔。此外，示例資源庫還包含頻率電壓轉換器的實現，可與電壓頻率轉換器在同一個器件上實現。單擊以下鏈接獲取源代碼和文檔：https://github.com/microchip-pic-avr-examples/pic18f57q43-v-to-f-mplab-mcc
總結
盡管高性能單片機和微處理器都有一席之地，但在執行小型專門任務時，8位和16位MCU的作用不容小覷。這類任務并不一定十分復雜，但可能十分耗時，或者是時間關鍵型任務。任務負荷減輕后，32位器件可擁有更簡單的實現，從而提高可靠性、減少存儲器占用率并降低功耗。
作者：Robert Perkel
單位：Microchip Technology Inc.
職稱：8位單片機產品部
供稿：Vivian，hoffman
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