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标题: 不增加成本的32位移植设计 [打印本页]
作者: admin    时间: 2015-4-27 23:49
标题: 不增加成本的32位移植设计
一个8位的或者16位的CPU或许能够满足你当前的应用需求。但是为了保持竞争力，你必须对你的产品做出持续不断地改进，包括你要不断的增加它的新特性、不断地提升它的速度，并在提升它规格的同时降低成本。如果你不做这些，而你的竞争对手在做，你将被甩开。
           
          保持竞争优势的一个方法是通过逐步改善你现有的设计。但随着时间的推移，架构的限制可能会是这个过程变得越来越缓慢，成本也越来越高。因此你可以将你的设计移植到32为平台，这会提升你产品在以下几个方面的性能。
           
       

         

        表1：移植到32位平台的优势

         

          你真的需要将你的产品移植到32位平台吗？
          当你把产品重一个8位的CPU移植到一个32位的CPU上面的时候，有几点时一定要考虑的。首先是你现有的CPU是否仍然时可用，你将产品搬到32为平台是否能够有一个优势的提升或者性能的改进。8位的应用程序通常是通过简单的计算实施基本的感知和控制。8位的CPU在计算值低于256的时候，它的位操作和应用程序的表现是很好的，例如一个广为人知的架构8051。
           
          即使最小的32位CPU也能做到8位CPU所能做到的一切，如图1所示。
         
        1、能够处理更复杂的计算。例如包括本机自带的DSP、图像处理以及姿势识别功能。
         
        2、数据挖掘和分析、数据库查找。
         
        3、实时的多任务处理系统。
           
       

        图1-使用Dhrystone做基准的单片机性能比较

         

          即使你不需要使用上述的这些强大性能，32位CPU也能从如下几个方面提升你的设计：
          能耗：例如这样一个常见的低功耗设计：CPU先处于睡眠的低功耗模式,定期醒来并在主动模式下执行代码(图2)。在两种模式下32位CPU可能需要比8位CPU更多的用电,但32位CPU花更少的时间执行代码。因此,32位CPU更多的时间是在低功耗模式下的。在许多情况下,这可能会导致它的平均功率比8位CPU更小。
           
       

        图2：计算密集型任务的平均能耗比较

         

         
          可升级：现在，大多数CPU的销售是跟着一个可以从低性能升级到高性能的产品系列销售的。如果你的的产品想要升级，那么你的CPU也是必须可以升级的。CPU升级是就从以下方面而言的：
         
        1、指令集、系列里的高端成员应该有更多的指令或者更多现有指令的操作模式,同时保持对低端成员的的向后兼容性。
         
        2、更多的寄存器、或者现有的寄存器有更多的定义位。
         
        3、更多的功能，例如中断控制和调试。
           
          ARM Cortex-M处理器家族是CPU可升级的最好的例子。如图3所示：
           
       

        图3-ARM Cortex-M处理器家族概述

         

          成本：也许会有一个感知的错误，会认为32位CPU会花费跟多的成本。但是随着技术的发展，32位的CPU不一定会比8位的CPU贵，现在已经有很多的低成本的32位CPU了。例如：因为它简单的设计和占有小硅区域的ARM Cortex-M0内核，使它更加划算。举一个Cypress半导体入门级PSOC 4000CPU为例，它只有0.29美元的价格。
           
          此外，表1显示支持高代码密度和更快执行速度的32位CPU可以帮助降低成本。
           
          这不仅仅关系到CPU
          通常只关注您的固件代码移植到新的CPU。但是，请记住CPU只是MCU的一部分，MCU可以尽可能的为它的CPU提供改进机会去满足客户的改进要求。例如：
           
          1、MCU的外围设备能够提升产品的功能吗？
         
        2、外围设备操作能使用更少的代码吗？能够降低CPU的负载吗？这可能导致该系统使用更少的内存，可能降低成本。
         
        3、该器件可以帮你节省板级和系统级的成本吗？例如，你可以将PCB板上的某些功能移动到MCU里。
         
        4、MCU足够灵活,能够让你适应不断变化的需求，而不必制定新电路板吗?
           
          最后,请注意,单片机设备通常只有集成开发环境(IDE)支持它。确认新的IDE不仅仅是一个编辑器，编译器和调试器。IDE使您能够快速构建整个应用程序、使用单片机的硬件特性以及固件可以显著加速设计。开发工具包和应用笔记也很有帮助。
           
          代码移植技巧
          如果你决定移植一个设计到32位CPU上去，记住这些注意事项：
           
          选择一个入门级的32位CPU /单片机和IDE。作为你的第一个移植进入32位器件代码，请保持它简单,这将减少引入缺陷的风险，你也会熟悉32位设计的不同之处。选择一个基本的入门级设备，以及一个IDE,可以简化移植过程。Cypass半导体的一个例子是PSoC 4000MCU,由PSoC创造IDE支持。
           
          选择一个新的编译器。当你代码移植到一个新的CPU,你也必须选择一个新编译器。大量的编译器，其中一些是免费的,可用于32位CPU。例如：GCC，ARM/Keil MD，IAR。
           
          让你的构建和调试工具工作。创建一个小测试程序，例如闪烁LED灯。你会获得使用新工具的经验，这将帮助您完成下面的步骤。
           
          汇编代码重写。理想情况下，你的现有代码应该用C(或者其他一些更高级的语言)。任何8位处理器的汇编语言代码是不可移植的。如果你在当前设计中有任何的汇编代码，考虑在C下面重写它，在开始移植过程开始之前。
           
          封装特别的代码。如果你的代码已经模块化了(编码最佳实践)。代码的移植直接与单片机寄存器对应，比如读I /O端口,应该和文件中和其余部分的代码分开。在这些文件中封装代码并按功能命名，例如UART_Receive()。然后你可以重写这些功能为新的单片机无需更改代码的其余部分。
           
          其他体系结构更改一个新的单片机可能允许您卸载功能从CPU到外围设备。此外，一个新的IDE可以自动生成代码。利用这些特性，考虑重新建构代码的部分或全部。
           
          因为32位CPU更容易实现任务切换,考虑重新建构代码作为一组单独的任务被一个实时操作系统(RTOS)使用。例如：32位系统RTOS供应商Segger和Micrium。
           
          增加的构建和调试，在设计新代码时，最佳的做法是小部分小部分的增加、测试和调试代码
        。这使得它更容易找到并修复缺陷。这同样适用于移植——在新的MCU上移植、测试和调试代码也是一部分一部分的进行。
          CPU和MCU举例，为了对移植过程有更好地理解,让我们来详细了解一下上下文中ARM Cortex-M0和PSoC 4000。ARM Cortex-M0处理器是最小的ARM核心。其寄存器架构(图4)和指令集使它支持C工具。
           
       

        图4：Cortex-M0登记册架构

          所有寄存器都是32位，使用32位寻址，拥有4Gbyte地址空间。大多数8 位CPU仅限于64Kbyte的地址空间。
           
          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:
           

           
          Cortex-M0核心指令集设置简单但功能强大并且有大量的处理模式。它拥有优秀的代码密度。从一个8位的CPU将C代码移植到Cortex-M上，CPU经常使用更少的内存。
           
          ARM Cortex-M系列CPU指令流水线,如图5所示。这就增加整体代码执行速度,因为CPU可以执行一条指令的同时抓取和解码后续指令。
           
       

        图5：Cortex-M处理器中的流水线划分

         

         
          ARM Cortex-M CPU系列集成支持中断直接进入CPU内核，使用一个嵌套矢量中断控制器(NVIC)。NVIC功能包括:

           
          这些特性能够更快并决定中断处理。系统定时器”SysTick”促进RTOS的使用和可以操作在CPU睡眠，也包括在内。有高水平中断支持可用，您可以考虑改变你的架构更依赖中断处理。
           
          ARM的Cortex-M处理器系列集成调试功能在CPU内核,支持多个IDE便于调试。
           
          Cortex-M0内核是Cortex-M处理器大家庭的一部分，它们有相同的寄存器架构和执行部分或全部Thumb-2指令集,这使得它更容易升级到一个更强大的CPU。例如Cypress的PSoC 5 LP Cortex-M3处理器。
           
          PSoC  4000是入门级PSoC 4系列的一员。除了Cortex-M0处理器,它有一组可灵活动态配置外围设备,如图6所示。
           
       

        图6：PSoC 4000框图

         
        这种CPU也有电容式触摸感应特性。电容式感应在成本、性能和防静电保护方面比机械按钮有显著的优势。
           
          电容式感应功能包括：

           
          电容式感应块包括两个DAC和一个比较器，您可以把它用作其他目的如果CapSense不需要使用。
           
          Cypress也提供PSoC开发工具，一个适用于PSoC3、4和和5 LP设备的集成设计环境(IDE)。PSoC开发工具是一个免费的基于windows的IDE支持PSoC-based系统的硬件和固件设计。
           
          你可以使用经典的，熟悉原理图来设计。组件包括自动生成API代码,可以大大减少您编写的代码量。使用PSoC开发工具是很容易实现在PSoC系列之间的设计移植在。如图7所示。
        您还可以导出PSoC的设计到其他IDE，例如：?Vision 和IAR。
           
       

          图7：PSoC开发工具进行组件配置

         

          现在升级遗留8位和16位设计到32位平台是很简单的，同时仍然满足成本目标。几个因素必须牢记当计划移植到一个新的CPU；要选择的一个初级32位单片机并且有好的IDE支持。



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