嵌入式軟硬件接口設(shè)計實例
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寄存器的結(jié)構(gòu)與訪問
設(shè)計工程師應(yīng)該精心選擇硬件寄存器大小，使處理器能最有效地進行硬件訪問。一般來說，總是采用系統(tǒng)內(nèi)部整數(shù)訪問方式。寄存器應(yīng)該被譯碼為連續(xù)的組(沒有地址空檔)，這樣可以加速指針或陣列索引對寄存器的訪問。任何可寫的寄存器也應(yīng)該是以同樣的格式可讀，這樣可以避免使用本地存儲器來緩存這些寄存器值。
控制一個子系統(tǒng)的寄存器應(yīng)該以相同的結(jié)構(gòu)形式在一起分組，使軟件能使用通用的驅(qū)動程序?qū)λ鼈冞M行訪問。當(dāng)設(shè)計中需要多個同一類型的子系統(tǒng)時這點尤其重要。
為了避免被編碼成獨立進程的軟件任務(wù)之間發(fā)生沖突，獨立的子系統(tǒng)不能在系統(tǒng)處理器訪問期間共享可寫寄存器。這些“獨立”的軟件進程在訪問共享寄存器時會產(chǎn)生競爭，除非在系統(tǒng)代碼中使用不可中斷的讀/寫驅(qū)動程序。根據(jù)操作系統(tǒng)的不同，多個進程共享寄存器甚至可能會產(chǎn)生功能調(diào)用的額外開銷。訪問共享寄存器的同時還有執(zhí)行其它進程的做法是錯誤的，也是軟件設(shè)計的通病，會導(dǎo)致間歇性的系統(tǒng)故障，影響集成和測試系統(tǒng)軟件的進度。
系統(tǒng)A違反了很多上文提到的原則，如采用只寫寄存器，共享控制和狀態(tài)寄存器，以及沒有為每個軸提供公共的寄存器映射。系統(tǒng)A必須用專門的驅(qū)動程序來緩沖寫輸出數(shù)據(jù)，移位并屏蔽軸驅(qū)動與位置信息，并防止軸驅(qū)動寄存器內(nèi)容被為每個軸任務(wù)編寫的代碼所影響。系統(tǒng)B由于分離并重組了與每個軸有關(guān)的寄存器，因此能克服這些問題。
寄存器復(fù)位內(nèi)容
硬件設(shè)計工程師應(yīng)仔細考慮系統(tǒng)的復(fù)位狀態(tài)。硬件設(shè)計通常采用啟動程序來取得系統(tǒng)啟動后的控制權(quán)，并將系統(tǒng)初始化到一個安全的狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位后應(yīng)將硬件置于一個確定的安全狀態(tài)，并且硬件應(yīng)持續(xù)保持安全狀態(tài)直到系統(tǒng)軟件初始化完成為止。代碼也應(yīng)在軟件控制下復(fù)位硬件以幫助調(diào)試、自檢和原始代碼的開發(fā)。
系統(tǒng)A不控制驅(qū)動寄存器的復(fù)位內(nèi)容，需要代碼的介入來將所有三個軸的驅(qū)動寄存器設(shè)置為零。這種結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生嚴重的系統(tǒng)設(shè)計問題，因為處理器通常是保持在復(fù)位狀態(tài)，直到FPGA和ASIC加電并得到配置后處理器才正常工作。如果開發(fā)人員使用仿真器，那么在集成過程中系統(tǒng)A還會出現(xiàn)另外的問題：被仿真器控制的處理器在系統(tǒng)加電后可能需要很長的初始化時間才能正常工作。在軟件取得控制權(quán)之前系統(tǒng)A和B的軸都處于隨機驅(qū)動狀態(tài)。
系統(tǒng)B在加電后會將所有軸驅(qū)動寄存器設(shè)為零，它對軸驅(qū)動設(shè)置的控制并不依賴于啟動時間。因為系統(tǒng)B沒有隱藏的狀態(tài)機，因此在本設(shè)計中沒有必要考慮增加額外的軟件復(fù)位寄存器。
寄存器域設(shè)計
大多數(shù)資源接口所包含的數(shù)據(jù)項并不正好適合一個寄存器。這種情況下，硬件設(shè)計工程師必須將一個寄存器分成若干域。合理的域結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)性能來說非常重要，與寄存器接口設(shè)計有相似的影響。有效的域接口設(shè)計規(guī)則類似于寄存器設(shè)計規(guī)則，但設(shè)計工程師還需要特別注意域的順序與放置，還要對寄存器中未用到一些字節(jié)作一定的處理。
1. 寄存器的域
域被定義為寄存器中若干位的子集，主要用于報告或控制資源的一個功能要素。在硬件設(shè)計中最常用的域類型有：1. 布爾域：真或假，通常是一位；2. 多位狀態(tài)域和控制域：多位用于報告或控制內(nèi)部相關(guān)功能；3. 列舉狀態(tài)域和控制域：多個位的集合，其中每個位代表了一種不同的硬件狀態(tài)；4. 數(shù)字域：多個位組合在一起用來代表一定的數(shù)量值。
從軟件使用者角度看，最有效的域結(jié)構(gòu)是每個寄存器只用一個域。這種理想的軟件結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致硬件實現(xiàn)效率低，因此一個好的系統(tǒng)設(shè)計需要在軟硬件設(shè)計之間作出折衷，在每個寄存器中應(yīng)放置多個域。
下文將著重討論一個寄存器中假設(shè)存在多個域的情況，不過，當(dāng)對資源的某個特殊參數(shù)進行的有效訪問將嚴重影響系統(tǒng)軟件性能時，硬件設(shè)計工程師仍應(yīng)該考慮使用單個域的寄存器。
2. 域結(jié)構(gòu)
前文提到的用于寄存器的結(jié)構(gòu)概念同樣也適合于寄存器內(nèi)部的域。一個寄存器應(yīng)該只包含屬于設(shè)計中同一功能要素的域，并且該寄存器中的所有可寫域都應(yīng)該是可讀的。
那些包含有屬于多個功能要素的域的寄存器同樣需要特殊驅(qū)動程序支持，這樣才能使多個進程安全地訪問每個域。而配置為“只寫”功能的域需要分配影子內(nèi)存來保存寄存器域中的前一狀態(tài)值。硬件設(shè)計工程師原來設(shè)想的簡單的“屏蔽/寫”操作現(xiàn)在變成了繁雜的多步功能調(diào)用，首先必須禁止中斷和任務(wù)切換，然后讀本地存儲器，屏蔽輸入輸出值，再進行硬件寄存器寫，最后開放中斷和多任務(wù)切換。如果寄存器中所有域能得到有效安排，通過一個軟件任務(wù)就能訪問全部域的話，上述情況就能得到有效避免。
由于系統(tǒng)A將屬于不相關(guān)功能的多個域組合放在一個寄存器中，因此它需要使用特殊的驅(qū)動程序。而系統(tǒng)B則遵循“單個寄存器內(nèi)的域按任務(wù)進行組織”的原則，將每個域放置在屬于自己的專用寄存器中，因此能高效地訪問資源中的每個軸參數(shù)。
3. 十六進制數(shù)字對齊
硬件設(shè)計工程師還應(yīng)該明白針對處理器和軟件開發(fā)環(huán)境進行對齊約束。如果將域放置在錯誤的地址上而超出字的邊界，將迫使軟件設(shè)計工程師只能按塊訪問每個域，進而增加訪問復(fù)雜性，降低訪問的速度。在調(diào)試過程中，用零值填充域是非常有用的，可以使每個域的最低位對齊十六進制數(shù)字(4位)的邊界：當(dāng)在邏輯分析儀、調(diào)試儀或仿真器上顯示寄存器情況時，十六進制數(shù)字對齊會有助于域值的可視化提取。系統(tǒng)A的寄存器域是沒有對齊的，因此從原始的十六進制數(shù)據(jù)中提取域值很困難。由于控制域沒有對齊，在查錯時屏蔽測試輸入也十分困難。而系統(tǒng)B的所有域都是按十六進制偶數(shù)數(shù)字對齊，因此通過寄存器讀可以很容易地確定每個域的狀態(tài)，并且能方便地將某個域設(shè)為指定值。
4. 域位置的分配與順序
寄存器內(nèi)域的設(shè)置也會嚴重影響軟件實現(xiàn)的效率。布爾域和多位域通常與位置無關(guān)，但當(dāng)列舉域和數(shù)字域被放置在寄存器的最低位(LSB)時對它們的訪問效率通常是最高的(LSB的實際位數(shù)取決于處理器類型，位0不一定是LSB)。將域配置在寄存器的LSB中可以有效地消除對域內(nèi)容屏蔽后的移位操作，也使測試設(shè)備或進行可視化檢查的調(diào)試儀訪問寄存器時能更容易地識別域值。
系統(tǒng)A中用于軸2和軸3的域值在使用前必須要求軟件進行屏蔽和移位。而系統(tǒng)B則將所有數(shù)字域配置在寄存器的LSB中，從而能完成更有效的訪問。系統(tǒng)B的集成性也更好，資源寄存器的十六進制數(shù)據(jù)能真正分離成正確的域值。
5. 未用數(shù)據(jù)位
寄存器中的未用位同樣也會影響軟件實現(xiàn)的效率。所有未用位應(yīng)回歸為零，并且寫入操作時無需對它們作特殊的處理，這樣可以避免不必要的屏蔽與清除操作。這個規(guī)則的唯一一個例外是包含數(shù)字域為2的補碼的寄存器，并且在寄存器中剩余的最高位(MSB)沒有用的情況。在這種情況下，使硬件實現(xiàn)符號將域的MSB擴展到未用位就非常有用。以這種方式擴展的數(shù)字域能夠被處理器直接訪問，因為帶符號的數(shù)值無需軟件符號的擴展。當(dāng)對特殊的數(shù)字域變量的訪問速度嚴重影響整體系統(tǒng)性能時，將該類型的域與“單個寄存器單個域”結(jié)合起來考慮將非常有用。由于無需屏蔽或符號擴展，這些域能以內(nèi)部數(shù)據(jù)訪問的方式直接訪問。
當(dāng)系統(tǒng)A中需要從寄存器提取域值時，要求軟件對每個數(shù)字域值進行符號擴展，而系統(tǒng)B允許通過對寄存器的內(nèi)部整數(shù)訪問直接訪問域值。
6. 域類型選擇
域類型的正確選擇也能極大地提高軟件實現(xiàn)效率。在打開或關(guān)閉獨立資源功能時布爾域是最有效的。要注意的是，只有當(dāng)寄存器是可讀寫時單位域才容易編碼。如果硬件寄存器對域的訪問有限制，就需要專門的緩沖器(有可能再加上一個專門的驅(qū)動程序)來保存當(dāng)前的內(nèi)容。限制性訪問同時也會限制一些編程構(gòu)造的使用，如位域(bit field)，從而影響系統(tǒng)代碼的可讀性，且無助于減少編程錯誤。
當(dāng)表達資源狀態(tài)的數(shù)據(jù)需要占用一定范圍的值時數(shù)字域就很有用。當(dāng)一個域能保持正值和負值使用時，帶符號的表達式通常需要更多的軟件工作。另外，還要避免在數(shù)字域中對其它數(shù)據(jù)進行編碼(如利用域符號表示一個不相關(guān)的資源狀態(tài))。
從硬件實現(xiàn)來看，多位域更有效，但在寫入系統(tǒng)代碼時會增加代碼的復(fù)雜度。列舉類型通常能更好地反映資源中相關(guān)功能的實際可用性，可以有效防止沖突功能的采用(如將存儲器塊切換到本地總線上)。列舉類型還應(yīng)提供這樣的可選項：無條件允許切換之間存在“停放帶”，無條件允許系統(tǒng)軟件中存在“先中斷再實現(xiàn)”的代碼切換。
系統(tǒng)A中對軸驅(qū)動域的“只寫”訪問使軟件對目標(biāo)域的訪問效率很低，必須用RAM保存寫過程中不作修改的過去的軸內(nèi)容。系統(tǒng)B中由于每個寄存器都只有一個域并允許讀寫操作，因此不存在這樣的問題。
實例系統(tǒng)的性能評估
為了評估最終系統(tǒng)軟件的性能，將列表1中的偽隨機碼正確轉(zhuǎn)換成C代碼并同時用于A、B系統(tǒng)中，然后利用內(nèi)部存儲器中的結(jié)構(gòu)模擬每個系統(tǒng)的硬件接口。代碼中應(yīng)避免使用位域，因為標(biāo)準C實現(xiàn)不能在限制性訪問的地址空間上正確工作。系統(tǒng)代碼模擬運行于PowerPC，編譯工具采用的是Green Hills MultiC，目標(biāo)操作系統(tǒng)是VxWorks，編譯器設(shè)置在中級優(yōu)化度(目的是幫助調(diào)試，并允許設(shè)計工程師把每條匯編指令與每一行C代碼聯(lián)系起來)。
表1列出了偽隨機碼的每一行，并給出了每個系統(tǒng)實現(xiàn)所用到的匯編指令與功能調(diào)用數(shù)量。另外還對兩個實現(xiàn)所用的代碼執(zhí)行速度進行測試。子程序升級系統(tǒng)B軸的速度要比系統(tǒng)A快5.3倍，這主要歸功于任務(wù)阻塞與去阻塞功能調(diào)用的去除。要注意的是實際系統(tǒng)中的加速效果可能并不明顯，因為實際的硬件訪問時間對總的執(zhí)行時間影響最大。
在實驗中要提升兩個實現(xiàn)所用編譯器的優(yōu)化度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)優(yōu)化度的提高對系統(tǒng)B無效，對系統(tǒng)A來說只是減少了很少的代碼，并且速度卻稍有降低。這樣的結(jié)果表明，系統(tǒng)B的硬件接口在軸域的資源訪問上非常接近內(nèi)部訪問的效能。
另外，為了對兩種實現(xiàn)所用到的硬件設(shè)備進行評估，要用VHDL對硬件接口進行編碼，然后用賽靈思的Webpack軟件進行綜合，并把設(shè)計映射到賽靈思的Virtex FPGA中。采用Virtex系列芯片的結(jié)果是系統(tǒng)A要消耗56個功能片(slice)，系統(tǒng)B要消耗85個功能片。V300E-PQ240器件總共具有3072個片，因此系統(tǒng)A占用可用資源的1.8%，系統(tǒng)B則占2.8%。9500系列器件的內(nèi)部資源更有限些，比如XC95288XL-PQ208，系統(tǒng)A將占用該器件可用資源的18%，系統(tǒng)B則占30%。
仔細考察這兩個設(shè)計發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)B所用的額外資源中最主要的驅(qū)動源是組合型軸尋址方案。為了驗證這一結(jié)果，重新組織寄存器映射，以便將每個軸作為一個獨立資源使用，單個軸映射按地址位邊界對齊。這一變通的實現(xiàn)方式保留了系統(tǒng)B的所有軟件接口優(yōu)點，同時減少了整體硬件器件的使用，Virtex系列器件的片利用率能降低2.3%，9500系列的利用率能降低22%。
硬件設(shè)計會極大地影響系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的復(fù)雜性和質(zhì)量。一個好的硬件設(shè)計要求設(shè)計人員能根據(jù)硬件實現(xiàn)與最終軟件設(shè)計環(huán)境的復(fù)雜性做出決定，正確理解硬件接口設(shè)計對軟件開發(fā)流程的影響能極大地改進系統(tǒng)質(zhì)量、性能和可靠性，同時減少系統(tǒng)開發(fā)的周期與成本。
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