嵌入式系統(tǒng)中“軟外設”的研究

時間：2024-07-16 01:09:45 理工畢業(yè)論文我要投稿

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作者Email: sunchengli@sjzue.edu.cn

摘要：隨著CPU的性能的不斷提升，處理速度越來越快，運算能力不斷增強，在許多嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中逐漸出現(xiàn)了軟外設（Software Peripherals）。所謂軟外設是指以軟件編程為手段，模擬CPU的外圍設備的功能，真正達到以軟代硬的目的。軟外設的出現(xiàn)給產品的開發(fā)帶來了極大的靈活性，不但使系統(tǒng)體積變得更小，而且使系統(tǒng)的升級換代變得更為方便，從而真正實現(xiàn)SOC。

本文介紹軟外設的設計思想以及在開發(fā)過程中應注意的事項，并結合一個嵌入式系統(tǒng)，分析軟外設對系統(tǒng)的影響以及如何使設計合理化。

關鍵詞：嵌入式系統(tǒng) UART Software Peripherals

一、介紹

應該說軟外設并不是一個新思想，從計算機發(fā)明以來，電子系統(tǒng)設計人員一直試圖盡可能多地用軟件編程來代替實際電路，通過這種方式把外設嵌入進系統(tǒng)。但由于CPU速度、計算能力有限，以及內存技術的發(fā)展不夠成熟，從而束縛了軟外設的發(fā)展。

近年來，隨著電子技術的發(fā)展，越來越多的處理器廠家在處理器的設計中加大了對軟外設的支持，象ARM公司宣稱他們的32、64位RISC處理器已經能用軟件實現(xiàn)更多更強的功能，指令集也更為豐富，甚至包括DSP方面的許多功能現(xiàn)在已經能夠在CPU上實現(xiàn)。Motorola公司已經開發(fā)出基于SM56PCI接口的用純軟件實現(xiàn)的調制解調器。這些都說明電路設計已經進入了一個嶄新的時期。

目前，電子設計中把外設嵌入進系統(tǒng)的方法主要有兩種。方法Ⅰ是采用標準的微處理器＋一塊輔助芯片，輔助芯片可以是FPGA或CPLD等可編程邏輯芯片；方法Ⅱ是采用基本的CPU內核＋附加邏輯單元，這些可以在一塊高密度可編程邏輯芯片上實現(xiàn)，CPU內核往往為Altera和Xilinx等FPGA生產廠家提供的軟件模塊。以上兩種方法都需要開發(fā)人員熟悉硬件描述語言，但在實際應用中CPU內核以及各種IP核的使用的往往要得到產權許可，而且可編程邏輯芯片體積大，價格昂貴，故在一些便攜式裝置的研制中不便采用。

軟外設的設計通常是采用標準的微處理器，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和系統(tǒng)負荷允許的條件下，設計中盡可能多地采用可配置的軟件模塊，用這些可配置的軟件模塊來實現(xiàn)某種外設的功能。并且可以配置、升級、重組，從而完成特定的功能。應該說明的是，并不是所有外設的功能都能完全由軟件實現(xiàn)，這種設計方法的目的是在系統(tǒng)允許的條件下盡量“以軟代硬”，以盡可能少的硬件開銷取得最佳的性能比。

二、系統(tǒng)要求

下面給出具有軟外設的嵌入式系統(tǒng)結構圖。

下面給出對嵌入式系統(tǒng)的要求：

（1）高性能CPU內核。軟外設的必須以高性能CPU內核為支持，只有采用高性能CPU內核，系統(tǒng)的頻率才能得以提高，軟外設和CPU之間才能高速傳送數(shù)據(jù)，軟外設才能得以高速運行而對系統(tǒng)整體工作不會有太多影響。建議采用帶有流水線、32位以上RISC核的CPU。

（2）快速的中斷響應。軟外設均采用中斷方式向CPU提出服務請求�？梢栽谄洗鎯ζ髋c內部總線之間增加寄存器組來減少系統(tǒng)的中斷響應時間。

（3）附加硬件模塊。正如前面所提，系統(tǒng)有些特性是不能由軟件實現(xiàn)的，象定時器、中斷控制器。另外在信號處理中由于A/D、D/A轉換如果用軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)開銷太大，由硬件實現(xiàn)較好。

（4）快速、足夠的存儲器和高性能的運算單元。

三、軟外設的算法設計

由于軟外設要求實時性強，有時需要和別的應用程序并行執(zhí)行，在設計時可以把軟外設看作等待服務的任務，協(xié)調、安排好這些任務非常重要，根據(jù)任務的確定性可以把實時系統(tǒng)的進程調度策略劃分為兩類：一類是靜態(tài)的，主要負責預先知道發(fā)生時間的任務；要求按進度準點完成的任務；要求固定時間發(fā)生的任務。對這類調度策略可以采用Round－robin算法或間隔算法（見3）。另外一類是動態(tài)進程調度策略，負責那些不能預測何時發(fā)生任務；不知執(zhí)行周期有多長的任務。這是一些具有臨時性的任務，比如含有條件循環(huán)的任務（不知何時滿足條件）。以上兩種策略分別適用于不同的情況，在一個復雜的系統(tǒng)中，往往存在幾個要求并行執(zhí)行的軟外設，進程的調度對任務的同步和系統(tǒng)的優(yōu)化非常重要。

另外為了設計的可移植性和簡便，要進行模塊化和層次化設計，復雜的軟外設可以看作由幾個具有層次的簡單的模塊構成。

四、性能分析

現(xiàn)以示出了一個嵌入式系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)采用Motorola公司生產的MCF5104型號CPU，接有三個軟外設，分別為UART、LCD和鍵盤控制器�，F(xiàn)在從工作速度和能量損耗方面以UART軟外設為例，對軟外設進行性能分析。

在UART實現(xiàn)程序中，共有16條匯編指令，假定每條指令需要一個時鐘周期（即CPI＝1），沒有奇偶校驗功能。通過改變CPU主頻（變化范圍為30～100），計算執(zhí)行的時間占有CPU時間的比率，分析UART軟外設在不同波特率情況下對CPU的負擔，計算過程如下：

假定CPU發(fā)送/接收一個字節(jié)的時間為t。UART軟外設的CPU占有率為T，則

t=指令數(shù)×CPI＋中斷響應周期×CPU主頻－1。
T＝t×波特率。
結果如表1所示。

表1 UART的CPU占有率

Rate(bit/s)

MHz

19200

38400

57600