針對PIC微控制器的設計竅門
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除了可在廣泛應用的Microchip公司PIC微控制器芯片中擠出更多特性外，本文探討的諸如增加額外串口以及在8位芯片上進行32位運算等技巧，也可適用于其它微控制器。
圖1：作為異步串行數(shù)據(jù)的ASCII碼字母“Q”(0x51)。
盡管Microchip公司不斷為其日益擴大的PIC微控制器產品線增加更多功能，但有時設計工程師只需其中一小部分功能。也許設計工程師還需要目前尚不存在的一組特性，或者繼承了一種設計但不能升級，或者可能只想進行試驗并打破以往傳統(tǒng)限制。本文將介紹一些挖掘各種PIC產品極限的應用方法，其中一些技巧也適用于其它微控制器，但這里只介紹用于PIC的源代碼與具體示例。本文還將分析一些方法，它們是關于如何增加另一個異步串口、更容易地處理精度擴展(32位或更高)算法、增強并行從端口以及如何使用一些異步串口常被忽略的特性。
異步串口
許多PIC都具有一個或兩個異步串口，但如果它們不夠用，那么位拆裂(Bit-banging)剩余I/O管腳是一種常用的解決方案，且適用于整個PIC系列。但這種方案是軟件密集型的，它在保持可靠通信所需的關鍵時序的同時，將難以進行其它任何操作。另一種選擇方案是檢測起始位的上升沿，并采用定時器中斷來讀取數(shù)據(jù)。這種方法在位拆裂方法的基礎上有了很大改進，但仍需要大量的軟件開銷以處理每一位的中斷，而面向任何中斷的延遲都可能導致同步問題。
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圖2：作為同步串行數(shù)據(jù)的ASCII碼字母“Q”(0x51)。
大多數(shù)PIC還提供一個串行外圍接口(SPI)。僅需很小開銷，普通的同步SPI就可被設計成能夠接收標準的異步傳輸。
一個典型的異步數(shù)據(jù)流包括一個起始位(總為0)、8個數(shù)據(jù)位(最低有效位在前)以及一個終止位(總為1)。圖1給出了一個接收ASCII碼字母“Q”(16進制為51)的例子，也可采用更少的數(shù)據(jù)位或者增加一個奇偶校驗位或額外的終止位。
SPI端口也采用8位數(shù)據(jù)，但它同步在兩個不同管腳上發(fā)送和接收字節(jié)。數(shù)據(jù)時鐘可消除對起始位或終止位的需要，且最高有效位在前。圖2顯示由SPI端口發(fā)送的一些數(shù)據(jù)，SPI端口在每個時鐘的下降沿接收數(shù)據(jù)，在上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)。
開始啟動
一旦被接收，數(shù)據(jù)肯定被翻轉，但如果SPI時鐘的下降沿與每一個異步數(shù)據(jù)位的中心同步，那么數(shù)據(jù)也可能保持原樣。起始位的下降沿提供最初的同步記號，其它同步記號則利用PIC的一個SPI選項。這里有好幾種定時選項，包括使用定時器TMR2等。TMR2計數(shù)直到其值等于特殊函數(shù)寄存器PR2的值，然后TMR2觸發(fā)SPI時鐘并復位為0，接著再繼續(xù)計數(shù)。如果TMR2從大于PR2的值開始計數(shù)，則第一個時間間隔將比平常的時鐘周期要長，因為它首先要復位到0(如圖3所示)。
圖3：TMR2在起始位的前沿初始化為 -PR2。
SPI端口接管產生同步記號的任務后，它將用所有的8個數(shù)據(jù)位進行計時而無需其它開銷。但它會占用從起始位上升沿到TMR2與SPI端口正確初始化這段時間，從而導致中斷延遲，如果啟用優(yōu)先級更高的中斷，延遲時間將更長。不過不用擔心這種中斷延遲，因為PIC還有另一個秘密武器。許多PIC都具有兩個或多個捕獲/比較/PWM模塊，I/O管腳可在下降沿上捕獲定時器的值，在起始位的上升沿則將TMR1值存儲在一個CCPRx特殊函數(shù)寄存器中，并產生一次中斷。中斷服務程序將帶有TMR1-CCPRx-PR2值的TMR2初始化，以消除掉任何延遲。列表1給出的是一個典型的中斷程序。 [next]
可選的“if(!CCP1)”行可確認輸入管腳是否仍為低，以避免將瞬間毛刺讀成串行數(shù)據(jù)。由于-PR2(未標出)必須大于PR2，所以應仔細選擇TMR2的預定標器的值，并使TMR1的預定標器的值與之一樣。在上面例子中，dTim2PR2為52。最壞情況下的中斷延遲應該小于串行數(shù)據(jù)速率，例如在9,600波特上，該值大約為104微秒或16MHz PIC上416條指令的執(zhí)行時間。SPI中斷正好能夠隱藏數(shù)據(jù)并啟用下一個字節(jié)的CCP1中斷，但切記在某些時刻翻轉數(shù)據(jù)位。
盡管設計工程師通常不能控制輸入數(shù)據(jù)的到達時間，且兩個接收器必須時刻保持警惕，但設計者通常能交替使用兩個發(fā)送器。有很多方法可用來處理硬件路由，僅需少數(shù)幾個邏輯門或晶體管以及一個輸出位就可進行這種選擇。圖4顯示采用一個含4個NAND門的74HC00的方法?？稍凇按?”上“選擇”高速發(fā)送，在“串口2”上“選擇”低速發(fā)送，這兩種路徑的“數(shù)據(jù)輸入”都來自TX管腳。
圖4：利用一個4與非門來控制兩個串口。
幀錯誤(FERR)標記
PIC異步串口的狀態(tài)位包括FERR標記。FERR表示終止位為低而不是所要求的高，這表明發(fā)送方的波特率低于接收方的波特率，并且預期的終止位的確是一個數(shù)據(jù)位。也可用FERR來檢測RS-232的“中斷”條件。中斷通常包括一個低起始位、全0數(shù)據(jù)以及一個0終止位。如果FERR被設置且數(shù)據(jù)為0，則將有一次中斷，但一般需對輸入做較長時間的觀察，以確認它保持為低。“中斷” 條件是一種向系統(tǒng)發(fā)送秘密“蝙蝠信號”并啟用特殊配置或測試模式的方法。有些終端能發(fā)送各種長度的中斷，或者設計工程師可將串口的RX輸入縮短為正電壓，其確切電平取決于硬件，但它可低到3V。如果是RS-232狀態(tài)輸出(如DTR)，則其有效電平為正，且將能提供接收器所需的電壓電平。
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TX9及TX9D是兩個經(jīng)常被忽略的特殊函數(shù)寄存器位，可對TX9設置進行設置，使TX9D作為第9個數(shù)據(jù)位被發(fā)送。額外數(shù)據(jù)位的一種傳統(tǒng)用法是將其作為錯誤檢查的奇偶校驗位。如果錯誤檢查對應用很關鍵，那么只進行簡單的奇偶校驗還不夠，因為錯誤檢查位可能出錯。
曾經(jīng)有一種采用RS-485的系統(tǒng)通過電線在數(shù)百英尺的距離上進行通信。該系統(tǒng)采用具有故障自恢復功能的RS-485芯片，即使電線是開路的，它也能保證有效輸出。電線開路在半雙工通信時經(jīng)常出現(xiàn)，因為數(shù)據(jù)在同一對電線的兩個方向上傳輸，每次只有一邊能發(fā)送，而在間歇期間兩邊都在偵聽，這使電線上沒有驅動信號。該系統(tǒng)可靠工作了數(shù)年時間，直到客戶想采用其它外來的RS-485設備。
圖5：在堆棧上進行5+3運算。
這些外來設備沒有使用具有故障自恢復功能的器件，系統(tǒng)在PIC的TRMT狀態(tài)位表明所有的位都被發(fā)送后才釋放線路。TRMT不對終止位進行計數(shù)，因此PIC在另一端收到終止位之前釋放線路。這并沒有選擇修改硬件，而是將PIC配置成發(fā)送9個數(shù)據(jù)位，并使TX9D為高以發(fā)送在另一端看起來為終止位的一個額外數(shù)據(jù)位。這樣，這兩種系統(tǒng)從此都工作得很好。
如果正在設計一種新系統(tǒng)，合適的終端將非常有用；并且如果硬件允許使用這種終端，則可在發(fā)送時使接收器有效。一旦偵聽到自己的發(fā)送，設計工程師就知道包括終止位在內的所有數(shù)據(jù)位都已安全地抵達另一端。
參數(shù)堆棧
盡管多年以前人們?yōu)?位微處理器編寫了一些圖形函數(shù)，但設計工程師還需要32位定點運算。由于存儲器有限，所以在進行復雜計算時，復用臨時存儲空間來存儲中間值是很有吸引力的。知道何時能安全地復用特定的臨時存儲位置將帶來更多復雜性。 [next]
Forth語言采用參數(shù)堆棧與RPN。計算時，先從參數(shù)堆棧中彈出參數(shù)，然后再將計算結果推入?yún)?shù)堆棧。臨時存儲空間總是位于參數(shù)堆棧的頂部，當從堆棧中彈出一個參數(shù)后，該臨時存儲空間被自動釋放并可再被使用。
使用參數(shù)堆棧是處理復雜表達式及中間結果的一種便利方法，尤其是當編譯器不支持最佳數(shù)據(jù)大小的時候。如果沒有參數(shù)堆棧，則“add”函數(shù)就可能會將兩個參數(shù)相加，然后再將結果返回至某一個地方；而有了參數(shù)堆棧，則算術函數(shù)不需要任何參數(shù)，也不用返回任何結果。Add() 函數(shù)可能會先從堆棧中彈出兩個數(shù)，將它們相加后再將結果推入堆棧中。數(shù)據(jù)可以是32位、24位或任何所需的位數(shù)，也不必考慮數(shù)據(jù)大小，除非需要在堆棧與其它位置之間轉移數(shù)據(jù)。以這種方式使用參數(shù)堆棧，要求重新考慮數(shù)學運算與函數(shù)，而RPN則提供一種簡單的解決方案。
圖6：Over() 與 Add() 函數(shù)。
代數(shù)表達式“5＋3” 可用RPN編碼成“5 3 ＋”，其程序代碼如下：
Push(5);
Push(3);
Add();
代數(shù)表達式“(2*3)＋(4*7)” 可用RPN表示為“2 3 * 4 7 * ＋”，其程序代碼為：
Push(2);
Push(3);
Multiply();
Push(4);
Push(7);
Multiply();
Add();
如同Add() 函數(shù)一樣，Multiply()函數(shù)先從參數(shù)堆棧中彈出兩個參數(shù)，將它們相乘，然后再將結果推入堆棧中。
除了支持通常的算術運算，F(xiàn)orth語言還有幾種操作堆棧中的值的方法。Dup()函數(shù)復制推入棧頂(TOS)的最后值；Over() 函數(shù)復制棧頂以下的第二個值；Swap() 函數(shù)交換兩個棧頂值；Drop() 函數(shù)將值推入棧頂。Pick(n) 函數(shù)復制棧頂以下第N個值。圖6顯示Over() 函數(shù)如何將兩個值保持在棧上并對它們求和。 [next]
圖7：內部IBF與OBF信號。
當將數(shù)字堆砌到堆棧上時，只需調用少數(shù)幾個函數(shù)即可進行復雜運算，而無需參數(shù)或返回值。
筆者用這些從Forth及RPN借用來的概念開發(fā)出一個精度擴展數(shù)學庫。有了PIC，函數(shù)調用常常編譯為單個操作碼，可以從ftp://ftp.embedded.com/pub/2005/04rowe下載PicMath.c ，該版本適用于CCS PCM編譯器，其配置最小為：
1．將StackDataSize棧數(shù)據(jù)大小定義為以字節(jié)來表示的數(shù)據(jù)大小(例如32位為4個字節(jié)等)；
2．分配棧存儲空間并將MathPtr初始化為棧的最低地址；
3．MathCarry數(shù)據(jù)位存儲計算后的PIC進位標志；
4．MathDouble配置位在非零時可進行雙精度乘、除操作。
PicMath還提供用于無棧運算的函數(shù)，該函數(shù)利用指針指示源及目的參數(shù)，并用計算結果覆蓋目的參數(shù)。
并行從端口
以往，快速數(shù)據(jù)傳輸總是以并行來進行?，F(xiàn)在有了每秒數(shù)百萬位的串行數(shù)據(jù)速率，串行傳輸可能是一種更好選擇，但除各種串行端口外，很多較大的PIC還提供一個并行從端口(PSP)。當在所有串行端口都用于其它事情后還需要另一個通信通道時，PSP可能相當有用。雖有幾條用于片選及讀/寫8位數(shù)據(jù)的控制線，但沒有標準方法來知道數(shù)據(jù)何時能讀或者PIC是否已處理完寫入的最后值，等等。
PIC在內部擁有輸入緩沖器滿(IBF)及輸出緩沖器滿(OBF)狀態(tài)位。IBF表示有人對并行端口進行寫操作，而OBF則表示PIC輸出的最后值仍在等待被讀取。圖7顯示這些過程是如何進行的。
列表1：CCPR1中斷程序。
盡管可以只用現(xiàn)有功能、某些固件以及非常嚴格的協(xié)議來進行通信，但設計工程師可能還需要額外的握手線以再造內部IBF和OBF狀態(tài)位的等效值。這通常至少需要一個額外的輸出管腳與一個額外的輸入管腳來監(jiān)視信號?？捎每烀}沖來指示發(fā)送方與接收方準備就緒。可直接將一個握手輸出連接至一個邊沿觸發(fā)中斷管腳。一些管腳可根據(jù)變化來產生一次中斷，但如果它是快脈沖，則讀該端口管腳將正好顯示當前邏輯電平。
電平激勵握手存在使兩邊失去同步的危險。發(fā)送方可能會看到接收方“READY”握手線，發(fā)送一個字節(jié)，并在接收方響應前再檢查“READY”信號。而接收方可能會看到發(fā)送方的“READY”握手線，讀一個字節(jié)，并在發(fā)送方響應前再檢查“READY”信號，并再一次讀同一數(shù)據(jù)。
PLD或其它外部邏輯器件可產生模仿內部IBF及OBF狀態(tài)位的外部握手信號。發(fā)送方的/WR信號可設置XIBF(外部IBF)，并可由接收方的輸出握手管腳來清除。發(fā)送方通過監(jiān)視XIBF來確定接收方何時準備就緒。發(fā)送方的握手管腳可將XOBF(外部OBF)設置為數(shù)據(jù)已做好讀準備的信號。接收方的/RD信號清除XOBF。發(fā)送方不需要監(jiān)視XOBF，因其內部OBF會復制該信號并產生中斷。
處理器能提供滿足所有需要的內置硬件支持當然最好，但如果不能，且設計不得不盡快完成，則上述技巧中的一項可能就夠用。這些技巧可用于各種處理器，包括16Cxx、16Fxx及18Fxx PIC等。只要了解其潛在優(yōu)勢與局限，它們就能成為您工具箱中的有用選項。
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