牛人工程師與PIC32一個(gè)月發(fā)生的研發(fā)故事

　　在早期的一些日子里，我的好奇心促使我想知道PIC32究竟帶來(lái)什么好性能。在我的16位器件一書(shū)的第四章中，即“Numb3rs”，我對執行基本的算術(shù)運算所需的指令周期數進(jìn)行了統計，并將它們與各類(lèi)整數和浮點(diǎn)類(lèi)型進(jìn)行了比較。這在時(shí)鐘周期與所執行的指令密切相關(guān)的場(chǎng)合，如PIC24和dsPIC DSC內核中那樣，這種方法是合理的。但在PIC32內核中，由于采用了MIPS的傳統，為“比賽”增加了“難度”。每個(gè)時(shí)鐘周期所執行的指令是可變的，因為當執行代碼快于閃存額定速度(每30MHz只插入一個(gè)時(shí)鐘周期)時(shí)可以插入等待狀態(tài)，或者可以無(wú)關(guān)，這要歸功于預取狀態(tài)機(能夠一次預取四條指令)。最后，激活一個(gè)高速緩存，進(jìn)一步改進(jìn)了高速性能。

　　PIC32的高速緩存使得周期數有點(diǎn)不可預測，也許變得沒(méi)有意義。我好像覺(jué)得我從貨物推車(chē)一下子升級到了一級方程式賽車(chē)一樣!于是，我決定需要在32位器件一書(shū)中增加一章關(guān)于PIC32的性能調整內容。為了給PIC32加上重載荷，我找到我在大學(xué)讀書(shū)時(shí)學(xué)習基本數字信號處理的一個(gè)老代碼程序：即快速付里葉變換。我采用的是標準浮點(diǎn)結構，沒(méi)有手工和編譯器優(yōu)化。另外還用了一個(gè)32 位定時(shí)器，讓PIC32自己計時(shí)，隨后我逐步地開(kāi)始選用一些新的程序選項。

　　開(kāi)始時(shí)，我激活指令預取，然后我找到高速緩存，再隨后我通過(guò)人工方式調整等待狀態(tài)。一開(kāi)始性能改善極大，并且隨著(zhù)之后對配置進(jìn)行進(jìn)一步的細調，性能改善更多。最終，我意識到最佳的配置必須隨應用定制，但必須由標準器件庫中的SYSTEMConfigPerformance()提供一個(gè)好的起點(diǎn)。

　　學(xué)習外設庫

　　這是我第一次使用“標準”外設庫，也是這種愛(ài)/恨關(guān)系的開(kāi)始。由于我在非常小型的8位器件上使用匯編進(jìn)行代碼開(kāi)發(fā)已經(jīng)許多年了，且通常都是需要采用手工優(yōu)化客戶(hù)代碼，我基本上都是自己親自工作，最終我開(kāi)發(fā)出了一些自己的器件庫。

　　這一次，在投放PIC32產(chǎn)品之前一年多的時(shí)間，我不僅移植了16位器件的庫，還對它們進(jìn)行了擴展來(lái)支持一系列新功能。我沒(méi)有更多的理由-唯一理由就是我自己必須掌握并學(xué)會(huì )如何使用它們。參見(jiàn)用于一個(gè)使用該外設庫的程序代碼段的Listings1和2，見(jiàn)圖2。

　　圖2：代碼移植時(shí)用于一個(gè)使用該外設庫的程序代碼段的Listings1和2。

　　通過(guò)利用這個(gè)新庫，16位和32位應用之間的代碼兼容“絕對”沒(méi)有問(wèn)題。即便是外設寄存器上的極小差別也可以通過(guò)應用代碼完全消除。實(shí)際上，這使得一個(gè)應用在16位器件和32位器件上都可以運行，從而開(kāi)發(fā)人員面向兩種架構，卻維護統一的代碼基。

　　不過(guò)，雖然在器件數據頁(yè)中對硬件控制寄存器名稱(chēng)已有注明(甚至每一位都很詳細)，但卻沒(méi)有所有的功能/宏名及其參數。很多時(shí)候，我發(fā)現必須將單個(gè)的包含文件與器件數據頁(yè)進(jìn)行比較，嘗試著(zhù)去猜測究竟有哪些控制位與一個(gè)特定的庫參數相關(guān)。當利用最簡(jiǎn)單的庫(比如I/O端口操作)時(shí)，這是一件特別麻煩的事情，對我來(lái)說(shuō)，在這里，庫抽象層的優(yōu)點(diǎn)更值得質(zhì)疑。

　　最終，我發(fā)現可以采取一個(gè)平衡折中。即可以采用傳統的方法訪(fǎng)問(wèn)絕大部分的基本外設 (例如I/O端口和計時(shí)器)，而在使用更復雜/新外設時(shí)才使用庫。于是，我迅速通過(guò)了有關(guān)代碼的幾個(gè)章節，實(shí)際上什么都沒(méi)有改。這些章節包括：SD /MMC接口，FAT16文件I/O甚至包括WAV音樂(lè )文件重放。

　　當我決定再深入地研究中斷時(shí)，以及后來(lái)開(kāi)始使用PIC32的新DMA模塊時(shí)，這些庫的好處就變得很明顯了。

　　PIC32提供兩種中斷選擇：一種是非常類(lèi)似于PIC16/18 8位架構操作方式的單矢量模式(順便指出，與RTOS也更加友好)，另一種是更類(lèi)似于16位PIC24 MCU和dsPIC DSC工作模式的多矢量模式。利用interrupt.h庫來(lái)設置參數是輕而易舉的事情。

　　是我開(kāi)始嘗試移植第12章中代碼的時(shí)候了：“黑屏”確實(shí)是一件有趣的事情。用PIC24，我能夠演示SPI端口是如何的簡(jiǎn)單，只需要三只電阻器，幾個(gè)中斷，以及一些創(chuàng )新就可以產(chǎn)生一個(gè)復合視頻信號，特別是可以將任意的電視機轉換成單色顯示器。要產(chǎn)生一個(gè)視頻信號，需要中斷代碼與外設之間的精密協(xié)調。實(shí)際上，因為即便是在輸出定時(shí)上只差一個(gè)時(shí)鐘周期，在顯示器屏幕的左側就會(huì )產(chǎn)生可見(jiàn)的抖動(dòng)(所有的豎直線(xiàn)都變得像鋸齒一樣)，故訓練結果將是用于中斷“決策”的一個(gè)理想放大鏡，這是PIC架構傳統上一直出眾的特性。然而不幸的是，根據定義，指令預取和存儲器緩存機制都是非確定的。

　　經(jīng)過(guò)一段苦思冥想，我最終明白了。我在試圖做不應該做的事情!32位內核是為了提高性能而設計的。其使命是C代碼的運行盡可能地快，而把實(shí)時(shí)嚴格的工作留給外設。特別是，DMA外設是一個(gè)非常好的工具。

　　最終，我想出了如何利用定時(shí)器直接產(chǎn)生復合視頻信號，并將DMA數據傳輸同步到SPI端口的方法。這種新方案提供了確定性的定時(shí)，而且還將CPU的開(kāi)銷(xiāo)減少了大約25%到5%。幾個(gè)小時(shí)工作后，我完成了2D和3D視頻演示并運行，還加上了動(dòng)畫(huà)，從高清顯示一直到單顯VGA(實(shí)例見(jiàn)圖3和圖4)。

　　圖3：用PIC32所產(chǎn)生的3D圖形。

　　圖4：用PIC32所產(chǎn)生的不規則幾何圖形。

　　開(kāi)發(fā)PIC32很快變成一件令人上癮的事情，結果是很好的回報，那就是讓我完成了一本有關(guān)32位器件新書(shū)的寫(xiě)作之旅!PIC32與早先的16-bit PIC24微控制器的兼容性是那樣的無(wú)縫。這款新的MIPS內核的速度和性能給我留下了深刻的印象，大大擴展了任何先前的PIC MCU都無(wú)法實(shí)現的應用范圍。

　　表1：PIC24F AD1CON寄存器的并排比較。

　　Author：Lucio Di Jasio

　　FAE

　　Microchip Technology Inc.