不增加成本的32位移植設(shè)計(jì)

　　一個(gè)8位的或者16位的CPU或許能夠滿足你當(dāng)前的應(yīng)用需求。但是為了保持競爭力，你必須對你的產(chǎn)品做出持續(xù)不斷地改進(jìn)，包括你要不斷的增加它的新特性、不斷地提升它的速度，并在提升它規(guī)格的同時(shí)降低成本。如果你不做這些，而你的競爭對手在做，你將被甩開。

　　保持競爭優(yōu)勢的一個(gè)方法是通過逐步改善你現(xiàn)有的設(shè)計(jì)。但隨著時(shí)間的推移，架構(gòu)的限制可能會(huì)是這個(gè)過程變得越來越緩慢，成本也越來越高。因此你可以將你的設(shè)計(jì)移植到32為平臺(tái)，這會(huì)提升你產(chǎn)品在以下幾個(gè)方面的性能。

　　表1：移植到32位平臺(tái)的優(yōu)勢

　　你真的需要將你的產(chǎn)品移植到32位平臺(tái)嗎?

　　當(dāng)你把產(chǎn)品重一個(gè)8位的CPU移植到一個(gè)32位的CPU上面的時(shí)候，有幾點(diǎn)時(shí)一定要考慮的。首先是你現(xiàn)有的CPU是否仍然時(shí)可用，你將產(chǎn)品搬到32為平臺(tái)是否能夠有一個(gè)優(yōu)勢的提升或者性能的改進(jìn)。8位的應(yīng)用程序通常是通過簡單的計(jì)算實(shí)施基本的感知和控制。8位的CPU在計(jì)算值低于256的時(shí)候，它的位操作和應(yīng)用程序的表現(xiàn)是很好的，例如一個(gè)廣為人知的架構(gòu)8051。

　　即使最小的32位CPU也能做到8位CPU所能做到的一切，如圖1所示。

　　1、能夠處理更復(fù)雜的計(jì)算。例如包括本機(jī)自帶的DSP、圖像處理以及姿勢識(shí)別功能。

　　2、數(shù)據(jù)挖掘和分析、數(shù)據(jù)庫查找。

　　3、實(shí)時(shí)的多任務(wù)處理系統(tǒng)。

　　圖1-使用Dhrystone做基準(zhǔn)的單片機(jī)性能比較

　　即使你不需要使用上述的這些強(qiáng)大性能，32位CPU也能從如下幾個(gè)方面提升你的設(shè)計(jì)：

　　能耗：例如這樣一個(gè)常見的低功耗設(shè)計(jì)：CPU先處于睡眠的低功耗模式,定期醒來并在主動(dòng)模式下執(zhí)行代碼(圖2)。在兩種模式下32位CPU可能需要比8位CPU更多的用電,但32位CPU花更少的時(shí)間執(zhí)行代碼。因此,32位CPU更多的時(shí)間是在低功耗模式下的。在許多情況下,這可能會(huì)導(dǎo)致它的平均功率比8位CPU更小。

　　圖2：計(jì)算密集型任務(wù)的平均能耗比較

　　可升級(jí)：現(xiàn)在，大多數(shù)CPU的銷售是跟著一個(gè)可以從低性能升級(jí)到高性能的產(chǎn)品系列銷售的。如果你的的產(chǎn)品想要升級(jí)，那么你的CPU也是必須可以升級(jí)的。CPU升級(jí)是就從以下方面而言的：

　　1、指令集、系列里的高端成員應(yīng)該有更多的指令或者更多現(xiàn)有指令的操作模式,同時(shí)保持對低端成員的的向后兼容性。

　　2、更多的寄存器、或者現(xiàn)有的寄存器有更多的定義位。

　　3、更多的功能，例如中斷控制和調(diào)試。

　　ARM Cortex-M處理器家族是CPU可升級(jí)的最好的例子。如圖3所示：

　　圖3-ARM Cortex-M處理器家族概述

　　成本：也許會(huì)有一個(gè)感知的錯(cuò)誤，會(huì)認(rèn)為32位CPU會(huì)花費(fèi)跟多的成本。但是隨著技術(shù)的發(fā)展，32位的CPU不一定會(huì)比8位的CPU貴，現(xiàn)在已經(jīng)有很多的低成本的32位CPU了。例如：因?yàn)樗唵蔚脑O(shè)計(jì)和占有小硅區(qū)域的ARM Cortex-M0內(nèi)核，使它更加劃算。舉一個(gè)Cypress半導(dǎo)體入門級(jí)PSOC 4000CPU為例，它只有0.29美元的價(jià)格。

　　此外，表1顯示支持高代碼密度和更快執(zhí)行速度的32位CPU可以幫助降低成本。

　　這不僅僅關(guān)系到CPU

　　通常只關(guān)注您的固件代碼移植到新的CPU。但是，請記住CPU只是MCU的一部分，MCU可以盡可能的為它的CPU提供改進(jìn)機(jī)會(huì)去滿足客戶的改進(jìn)要求。例如：

　　1、MCU的外圍設(shè)備能夠提升產(chǎn)品的功能嗎?

　　2、外圍設(shè)備操作能使用更少的代碼嗎?能夠降低CPU的負(fù)載嗎?這可能導(dǎo)致該系統(tǒng)使用更少的內(nèi)存，可能降低成本。

　　3、該器件可以幫你節(jié)省板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的成本嗎?例如，你可以將PCB板上的某些功能移動(dòng)到MCU里。

　　4、MCU足夠靈活,能夠讓你適應(yīng)不斷變化的需求，而不必制定新電路板嗎?

　　最后,請注意,單片機(jī)設(shè)備通常只有集成開發(fā)環(huán)境(IDE)支持它。確認(rèn)新的IDE不僅僅是一個(gè)編輯器，編譯器和調(diào)試器。IDE使您能夠快速構(gòu)建整個(gè)應(yīng)用程序、使用單片機(jī)的硬件特性以及固件可以顯著加速設(shè)計(jì)。開發(fā)工具包和應(yīng)用筆記也很有幫助。

　　代碼移植技巧

　　如果你決定移植一個(gè)設(shè)計(jì)到32位CPU上去，記住這些注意事項(xiàng)：

　　選擇一個(gè)入門級(jí)的32位CPU /單片機(jī)和IDE。作為你的第一個(gè)移植進(jìn)入32位器件代碼，請保持它簡單,這將減少引入缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，你也會(huì)熟悉32位設(shè)計(jì)的不同之處。選擇一個(gè)基本的入門級(jí)設(shè)備，以及一個(gè)IDE,可以簡化移植過程。Cypass半導(dǎo)體的一個(gè)例子是PSoC 4000MCU,由PSoC創(chuàng)造IDE支持。

　　選擇一個(gè)新的編譯器。當(dāng)你代碼移植到一個(gè)新的CPU,你也必須選擇一個(gè)新編譯器。大量的編譯器，其中一些是免費(fèi)的,可用于32位CPU。例如：GCC，ARM/Keil MD，IAR。

　　讓你的構(gòu)建和調(diào)試工具工作。創(chuàng)建一個(gè)小測試程序，例如閃爍LED燈。你會(huì)獲得使用新工具的經(jīng)驗(yàn)，這將幫助您完成下面的步驟。

　　匯編代碼重寫。理想情況下，你的現(xiàn)有代碼應(yīng)該用C(或者其他一些更高級(jí)的語言)。任何8位處理器的匯編語言代碼是不可移植的。如果你在當(dāng)前設(shè)計(jì)中有任何的匯編代碼，考慮在C下面重寫它，在開始移植過程開始之前。

　　封裝特別的代碼。如果你的代碼已經(jīng)模塊化了(編碼最佳實(shí)踐)。代碼的移植直接與單片機(jī)寄存器對應(yīng)，比如讀I /O端口,應(yīng)該和文件中和其余部分的代碼分開。在這些文件中封裝代碼并按功能命名，例如UART_Receive()。然后你可以重寫這些功能為新的單片機(jī)無需更改代碼的其余部分。

　　其他體系結(jié)構(gòu)更改一個(gè)新的單片機(jī)可能允許您卸載功能從CPU到外圍設(shè)備。此外，一個(gè)新的IDE可以自動(dòng)生成代碼。利用這些特性，考慮重新建構(gòu)代碼的部分或全部。

　　因?yàn)?2位CPU更容易實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換,考慮重新建構(gòu)代碼作為一組單獨(dú)的任務(wù)被一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)使用。例如：32位系統(tǒng)RTOS供應(yīng)商Segger和Micrium。

　　增加的構(gòu)建和調(diào)試，在設(shè)計(jì)新代碼時(shí)，最佳的做法是小部分小部分的增加、測試和調(diào)試代碼

　　。這使得它更容易找到并修復(fù)缺陷。這同樣適用于移植——在新的MCU上移植、測試和調(diào)試代碼也是一部分一部分的進(jìn)行。

　　CPU和MCU舉例，為了對移植過程有更好地理解,讓我們來詳細(xì)了解一下上下文中ARM Cortex-M0和PSoC 4000。ARM Cortex-M0處理器是最小的ARM核心。其寄存器架構(gòu)(圖4)和指令集使它支持C工具。

　　圖4：Cortex-M0登記冊架構(gòu)

　　所有寄存器都是32位，使用32位尋址，擁有4Gbyte地址空間。大多數(shù)8 位CPU僅限于64Kbyte的地址空間。

　　有12的通用寄存器。(低寄存器R0-R7有更多的支持指令集)。特殊寄存器包括:

　　雙堆棧指針(R13)來幫助實(shí)現(xiàn)一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)

　　鏈接寄存器(R14)快速從函數(shù)調(diào)用返回

　　程序計(jì)數(shù)器(R15)

　　程序狀態(tài)寄存器(PSR)包含指令的結(jié)果如零和保持標(biāo)志以及當(dāng)前異常數(shù)

　　中斷屏蔽寄存器

　　控制寄存器控制堆棧指針哪個(gè)有效

　　Cortex-M0核心指令集設(shè)置簡單但功能強(qiáng)大并且有大量的處理模式。它擁有優(yōu)秀的代碼密度。從一個(gè)8位的CPU將C代碼移植到Cortex-M上，CPU經(jīng)常使用更少的內(nèi)存。

　　ARM Cortex-M系列CPU指令流水線,如圖5所示。這就增加整體代碼執(zhí)行速度,因?yàn)镃PU可以執(zhí)行一條指令的同時(shí)抓取和解碼后續(xù)指令。

　　圖5：Cortex-M處理器中的流水線劃分

　　ARM Cortex-M CPU系列集成支持中斷直接進(jìn)入CPU內(nèi)核，使用一個(gè)嵌套矢量中斷控制器(NVIC)。NVIC功能包括:

　　自動(dòng)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)和優(yōu)先等待中斷嵌套

　　低延遲——CPU自動(dòng)存儲(chǔ)和恢復(fù)其狀態(tài)沒有指令的開銷

　　遲到——一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的中斷在一個(gè)低優(yōu)先級(jí)中斷服務(wù)堆棧推操作期間到來時(shí)被優(yōu)先執(zhí)行。

　　這些特性能夠更快并決定中斷處理。系統(tǒng)定時(shí)器”SysTick”促進(jìn)RTOS的使用和可以操作在CPU睡眠，也包括在內(nèi)。有高水平中斷支持可用，您可以考慮改變你的架構(gòu)更依賴中斷處理。

　　ARM的Cortex-M處理器系列集成調(diào)試功能在CPU內(nèi)核,支持多個(gè)IDE便于調(diào)試。

　　Cortex-M0內(nèi)核是Cortex-M處理器大家庭的一部分，它們有相同的寄存器架構(gòu)和執(zhí)行部分或全部Thumb-2指令集,這使得它更容易升級(jí)到一個(gè)更強(qiáng)大的CPU。例如Cypress的PSoC 5 LP Cortex-M3處理器。

　　PSoC 4000是入門級(jí)PSoC 4系列的一員。除了Cortex-M0處理器,它有一組可靈活動(dòng)態(tài)配置外圍設(shè)備,如圖6所示。

　　圖6：PSoC 4000框圖

　　這種CPU也有電容式觸摸感應(yīng)特性。電容式感應(yīng)在成本、性能和防靜電保護(hù)方面比機(jī)械按鈕有顯著的優(yōu)勢。

　　電容式感應(yīng)功能包括：

　　容易實(shí)現(xiàn)按鈕、滾動(dòng)條和接近報(bào)警解決方案，每個(gè)I/O引腳擁有16個(gè)輸入路經(jīng)

　　高信噪比(信噪比)確保在嘈雜的環(huán)境中的觸摸精度

　　SmartSense自動(dòng)調(diào)節(jié)速度和不需要校準(zhǔn)

　　電容式感應(yīng)塊包括兩個(gè)DAC和一個(gè)比較器，您可以把它用作其他目的如果CapSense不需要使用。

　　Cypress也提供PSoC開發(fā)工具，一個(gè)適用于PSoC3、4和和5 LP設(shè)備的集成設(shè)計(jì)環(huán)境(IDE)。PSoC開發(fā)工具是一個(gè)免費(fèi)的基于windows的IDE支持PSoC-based系統(tǒng)的硬件和固件設(shè)計(jì)。

　　你可以使用經(jīng)典的，熟悉原理圖來設(shè)計(jì)。組件包括自動(dòng)生成API代碼,可以大大減少您編寫的代碼量。使用PSoC開發(fā)工具是很容易實(shí)現(xiàn)在PSoC系列之間的設(shè)計(jì)移植在。如圖7所示。

　　您還可以導(dǎo)出PSoC的設(shè)計(jì)到其他IDE，例如：μVision 和IAR。

　　圖7：PSoC開發(fā)工具進(jìn)行組件配置

　　現(xiàn)在升級(jí)遺留8位和16位設(shè)計(jì)到32位平臺(tái)是很簡單的，同時(shí)仍然滿足成本目標(biāo)。幾個(gè)因素必須牢記當(dāng)計(jì)劃移植到一個(gè)新的CPU;要選擇的一個(gè)初級(jí)32位單片機(jī)并且有好的IDE支持。