| 如何在復(fù)雜設(shè)計中部署處理特定任務(wù)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(tǒng)（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(fù)雜的應(yīng)用，可能會在執(zhí)行小型后臺處理任務(wù)時遇到CPU資源方面的問題，這些任務(wù)雖然并不復(fù)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(tǒng)、環(huán)境照明和空調(diào)。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(guān)的所有任務(wù)。這樣的任務(wù)還包括測量駕駛室內(nèi)多個點的溫度、打開/關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)、更新圖形顯示、處理用戶輸入、調(diào)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(wù)負荷轉(zhuǎn)移給幾乎不需要監(jiān)控的子處理器，每個子處理器僅負責(zé)處理其中的1或2個任務(wù)，那么這些任務(wù)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(fù)雜性，同時提高性能并縮短執(zhí)行時間。
這種解決方案與單片機中的外設(shè)有異曲同工之妙。外設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器），也可以減少執(zhí)行給定功能時CPU必須承擔(dān)的工作量。在某些情況下，初始化后，外設(shè)可獨立于CPU運行。
為了說明外設(shè)的優(yōu)勢，我們以產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號為例。要在沒有專用外設(shè)的情況下產(chǎn)生PWM，只需將I/O線設(shè)為高電平，等待一定數(shù)量的周期后，將其設(shè)為低電平，再等待一段時間，然后重復(fù)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(zhí)行。相比之下，PWM外設(shè)允許CPU在執(zhí)行其他任務(wù)的同時設(shè)置所需的波形參數(shù)。
本文中介紹的第一個示例說明了減輕CPU密集型任務(wù)負荷的優(yōu)勢。在該案例中，使用了一個8位MCU來創(chuàng)建I/O擴展器。I/O擴展器并不復(fù)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(wù)，大型32位器件可以減少I/O使用和需要處理的中斷次數(shù)。此外，I/O擴展器的功能集可在軟件中設(shè)置，因此支持針對應(yīng)用進行定制和調(diào)整。
本文中的第二個示例以創(chuàng)建獨立于CPU運行的電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器為例，展示了獨立于內(nèi)核的外設(shè)的性能。在這個示例中，CPU的唯一功能是初始化外設(shè)并將調(diào)試打印消息發(fā)送到UART。在大型系統(tǒng)中，當(dāng)V/F在后臺運行時，CPU可以執(zhí)行另一個簡單的任務(wù)。
I/O擴展器
使用8位MCU創(chuàng)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(zhí)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(yīng)用的需求。
實現(xiàn)高級I/O擴展器
在器件內(nèi)部，高級I/O擴展器在基于查找表的結(jié)構(gòu)上運行。在讀取或?qū)懭胫埃瑫l(fā)送一個虛擬地址。該地址與單片機上的寄存器無關(guān)——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(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)勢是，能夠向查找表添加權(quán)限。例如，要創(chuàng)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)也適用于非標(biāo)準(zhǔn)功能。“MEM OP”功能允許MCU將其當(dāng)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(shè)置的參數(shù)。此外，也可以選擇將單片機設(shè)置為在上電時加載保存的設(shè)置。如果已使能，單片機會嘗試加載配置0中的設(shè)置。如果配置執(zhí)行校驗和驗證失敗，則MCU將恢復(fù)為編譯時常數(shù)。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(yōu)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(yīng)用場景的非標(biāo)準(zhǔn)功能。此應(yīng)用程序針對通用PIC16F15244系列MCU開發(fā)。
如需深入了解該實現(xiàn)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(zhuǎn)換器
通過降低物料清單（BOM）成本，進而減小設(shè)計面積，電壓頻率轉(zhuǎn)換器可改進傳統(tǒng)的模擬解決方案。市場上的許多V/F轉(zhuǎn)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(shù)進行數(shù)字化，而是使用獨立于內(nèi)核的外設(shè)和功能的組合。MCU使用內(nèi)部帶計算功能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCC）測量輸入信號，然后對時鐘信號進行分頻，以創(chuàng)建可變頻率輸出。在該示例中，外設(shè)已設(shè)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(yīng)用中的其他任務(wù)。
對于基于MCU的方案，其挑戰(zhàn)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(nèi)數(shù)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(shè)模塊——模擬采樣模塊、輸出振蕩器模塊和占空比發(fā)生器。
模擬采樣模塊
模擬采樣模塊負責(zé)執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。為了在器件的頻率限制下實現(xiàn)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(jié)果。
這種過采樣配置有一個缺點，即向結(jié)果中增加額外的統(tǒng)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(xiàn)滯后，可使用ADCC的閾值中斷功能。（為簡單起見，將僅介紹有關(guān)此示例如何使用閾值中斷功能的細節(jié)。）
在ADCC完成過采樣的平均值計算后，將得出的值與外設(shè)中的設(shè)定值寄存器進行比較。如果兩者之差大于或小于設(shè)定閾值，則觸發(fā)中斷。CPU可屏蔽此中斷且不受影響，然而，此中斷會觸發(fā)直接存儲器訪問（DMA），將經(jīng)過平均值處理的過采樣結(jié)果復(fù)制到ADCC的設(shè)定值寄存器，從而產(chǎn)生滯后。如果未超過閾值，則不會發(fā)生DMA復(fù)制，從而不會觸發(fā)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(zé)以所需輸出頻率產(chǎn)生時鐘信號。該輸出信號在內(nèi)部連接到占空比發(fā)生器，該元件將輸出頻率減半，但會產(chǎn)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(shù)控振蕩器（NCO）。NCO外設(shè)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(jù)累加器溢出導(dǎo)出外設(shè)的輸出。（有關(guān)NCO的完整說明，請參見數(shù)據(jù)手冊。）
在該示例中，已將NCO2設(shè)置為在內(nèi)部創(chuàng)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(jié)果，是因為ADCC本身的12位結(jié)果不足以在沒有外部時鐘源的情況下產(chǎn)生100 kHz輸出。
ADC結(jié)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(zhuǎn)換器的理想輸出（看門狗已關(guān)閉）。
如果改變NCO2的輸出頻率或使用備用源，則輸出頻率將調(diào)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(jié)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(zhuǎn)換器的理想輸出（看門狗已關(guān)閉）。
占空比發(fā)生器
該解決方案的占空比發(fā)生器模塊負責(zé)創(chuàng)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(xiàn)。CLC是可配置邏輯的小型模塊，類似于現(xiàn)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(fā)器。在該解決方案中，CLC實現(xiàn)為帶復(fù)位功能的J-K觸發(fā)器。J和K保持在邏輯高電平。輸出振蕩器模塊用作觸發(fā)器的時鐘。每個輸入時鐘脈沖均會導(dǎo)致輸出翻轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)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(chǎn)生影響。
Timer 6用作不穩(wěn)定的“看門狗”定時器。如果輸出沒有產(chǎn)生邊沿（上升沿或下降沿），則定時器將溢出，并將產(chǎn)生的時鐘脈沖發(fā)送到CLC，這可以控制輸出頻率范圍的下限。輸出翻轉(zhuǎn)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(shè)創(chuàng)建獨立于內(nèi)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(yōu)勢在于，外設(shè)操作可在軟件中設(shè)置，這樣便可輕松地根據(jù)最終應(yīng)用調(diào)整示例。由于使用了大量外設(shè)，因此選擇PIC18-Q43系列MCU來實現(xiàn)該示例。
有關(guān)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(zhuǎn)換器的實現(xiàn)，可與電壓頻率轉(zhuǎn)換器在同一個器件上實現(xiàn)。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(jié)
盡管高性能單片機和微處理器都有一席之地，但在執(zhí)行小型專門任務(wù)時，8位和16位MCU的作用不容小覷。這類任務(wù)并不一定十分復(fù)雜，但可能十分耗時，或者是時間關(guān)鍵型任務(wù)。任務(wù)負荷減輕后，32位器件可擁有更簡單的實現(xiàn)，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(chǎn)品部
供稿：Vivian，hoffman
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