怎么樣把單片機來簡化復(fù)雜設(shè)計

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?，會發(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)也適用于非標準功能。“MEM 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。

器件中的存儲器存儲

MEM OP也可以將GPIO配置重置為編譯時設(shè)置的參數(shù)。

注：并非所有字段均可用于所有操作

MEM OP的功能

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)用場景的非標準功能。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。