XGate - 改善嵌入式系統(tǒng)實(shí)時效能的新途徑

　　XGate

　　XGate控制器已完全整合到新推出的MC9S12XDP512微控制器－暢銷的飛思卡爾半導(dǎo)體S12家族最新成員。XGate是一個可程序的16位RISC核心,極適用于實(shí)時及DMA類型運(yùn)作。與S12X裝置的整合意謂從微控制器的任何一個外圍裝置傳來的中斷都可以由主CPU或XGate處理。XGate可以：（1）讀寫所有外圍裝置及內(nèi)存：（2）讀取閃存(flash)中的信息。

　　可設(shè)定以執(zhí)行復(fù)雜的工作
　　為了讓XGate達(dá)到最大效能,其主要程序通常儲存位于內(nèi)存中。這使得80MHz的時脈可應(yīng)用于控制器,相對于S12X CPU只需使用40MHz。而且,S12X架構(gòu)不同于傳統(tǒng)的DMA,可保證XGate每一個CPU周期至少可存取內(nèi)存一次。

　　XGate編程

　　如要讓「智能型DMA」更為實(shí)用,必須使它容易編程。在理想的環(huán)境下,軟件工程師應(yīng)該能夠?qū)胍?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1743/" target="_blank">C語言編寫的既有程序代碼,并針對DMA重新組譯?；谶@個原因,XGate選擇16位RISC機(jī)器作為程序撰寫模式,并有適用于C語言程序的指令集。

　　一般的系統(tǒng)完整性檢查系透過CRC16計(jì)算,也就是對一組資料模塊進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算,并透過產(chǎn)生最終檢核碼的值,來確認(rèn)內(nèi)存內(nèi)容符合預(yù)期。這種算法可利用周期性的中斷來呼叫。飛思卡爾S12 MCU的這種算法之典型建置如圖3所示。在S12X上,此一算法可在XGate定期重新組譯及執(zhí)行,其好處是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可在CPU上執(zhí)行更多處理,卻不會降低系統(tǒng)檢查的效益。XGate不僅釋放CPU給其它活動,同時還使這個簡單算法的執(zhí)行時間,獲得了4倍的驚人改善。這也讓設(shè)計(jì)者可以在相同期間所執(zhí)行的CRC演算次數(shù)高4倍,藉此改善系統(tǒng)的自我檢查能力。值得注意的是,這項(xiàng)革命性的架構(gòu)方法,僅透過簡單的重新組譯及重新導(dǎo)向周期性的中斷,便可帶來這些重大的優(yōu)點(diǎn)。

　　S12X的自動化應(yīng)用

　　大多數(shù)汽車應(yīng)用對實(shí)時效能的要求都很高,通常超過模塊的實(shí)際功能。例如汽車的儀表板必須可以顯示車輛目前的狀態(tài),同時可接收并處理從傳感器傳來的實(shí)時訊息。由于XGate不僅可以接收這項(xiàng)信息,還可予以格式化并儲存,因此CPU可用來響應(yīng)駕駛?cè)嘶拥臅r間便大量增加,更可減少顯示器可能出現(xiàn)的噪聲干擾。

　　根據(jù)廣泛使用的S12架構(gòu),這種雙重方法的好處就非常明顯了。

　　大多數(shù)現(xiàn)代化汽車都是利用通訊網(wǎng)關(guān)來允許不同的通訊網(wǎng)路互傳訊息。此外,網(wǎng)關(guān)還可以執(zhí)行其它功能。XGate可以在大約4μs內(nèi)執(zhí)行一個典型的網(wǎng)關(guān)工作(檢查CAN ID,儲存于內(nèi)存,然后復(fù)制到傳送緩沖器(transmit buffer)中),而S12需9μs。這表示使用XGate,CPU可儲存高于9us的中斷。對一個具有5個CAN網(wǎng)絡(luò)完全滿載的非常忙碌連接網(wǎng)關(guān)而言,它可節(jié)省超過20%的CPU處理能力,卻僅用到XGate的10%。

　　對于一個更復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)而言,要將個別位字段或訊號在多個CAN上進(jìn)行路由傳送,XGate的處理速度通?？筛哂诿棵胩幚?5000 則訊息。

　　利用軟件建立自訂的解決方案

　　標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)活動就是建立硬件外圍裝置的軟件版本。典型的實(shí)例包括運(yùn)用I/O建立一個序列通訊端口,或額外的PWM信道。S12X架構(gòu)藉由建立高度復(fù)雜的「虛擬外圍裝置」,讓這種設(shè)計(jì)方法邁入新的層次。由于CPU的實(shí)時響應(yīng)不受外在事件的影響,它可在配有一個基本CAN模塊的裝置上,直接建置完整的CAN節(jié)點(diǎn),從標(biāo)準(zhǔn)的串行端口建立LIN模塊,從單一的定時器提供40個 PWM信道,還可提供其它變化的方式。由于這些變化完全由軟件控制,便可以混合及搭配各式組合。需要3個32個信箱的CAN模塊及2個8個信箱的模塊？沒問題！和另外一種將所有模塊都建置在硬件中的方法相比,這簡直是莫大的妙用,后者恐怕必須用到所有架構(gòu)內(nèi)的可能配置, 成本也會大幅增加。?

　　 簡化實(shí)時設(shè)計(jì)

　　除了提供改善的實(shí)時效能,這種雙重架構(gòu)途徑也可為實(shí)時軟件設(shè)計(jì)者帶來意想不到的好處。許多架構(gòu)式分析及設(shè)計(jì)工具依賴設(shè)計(jì)者將資料流處理與實(shí)時或控制處理分開。這個方法可以簡化高階設(shè)計(jì),但卻隱藏了在建置時潛藏的效能問題。有了S12X,設(shè)計(jì)者可輕易確保實(shí)時處理不會互相沖突,因?yàn)橹鰿PU可以完全將重心放在主要資料的處理。