不增加成本的32位移植设计

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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:
           

       

•                 双堆栈指针(R13)来帮助实现一个实时操作系统(RTOS)        
  
•                 链接寄存器(R14)快速从函数调用返回        
  
•                 程序计数器(R15)        
  
•                 程序状态寄存器(PSR)包含指令的结果如零和保持标志以及当前异常数        
  
•                 中断屏蔽寄存器        
  
•                 控制寄存器控制堆栈指针哪个有效
  

           
          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:

       

•                 自动动态优先级和优先等待中断嵌套        
  
•                 低延迟——CPU自动存储和恢复其状态没有指令的开销        
  
•                 迟到——一个高优先级的中断在一个低优先级中断服务堆栈推操作期间到来时被优先执行。
  

           
          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：

       

•                 容易实现按钮、滚动条和接近报警解决方案，每个I/O引脚拥有16个输入路经        
  
•                 高信噪比(信噪比)确保在嘈杂的环境中的触摸精度        
  
•                 SmartSense自动调节速度和不需要校准
  

           
          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。