繼承與創(chuàng )新：Innovasic Fido微控制器

上世紀最早出現的CISC (復雜指令集計算機) 計算機結構，現又悄然興起——Xilinx, Tensilica, Sun Microsystems和Power聯(lián)盟等組織帶頭復興 CISC 計算機結構。畢竟CISC 指令至今仍存在優(yōu)于RISC之處。ISA(工業(yè)標準結構)雖不斷更替，但有些東西仍經(jīng)久不變。如Freescale的老式68K結構至今仍在應用。68K系列至今仍一直保有32位處理器市場(chǎng)銷(xiāo)售額最高的地位，直到幾年前被ARM所取代。68K系列的長(cháng)壽有很多原因：容易編程，支撐軟件優(yōu)良，從性能、封裝、價(jià)格水平到外圍設備種類(lèi)廣泛，適應各類(lèi)客戶(hù)的需要。以至于68K結構一度成為嵌入式處理器的代名詞。Freescale 68K的產(chǎn)品系列的銷(xiāo)售額每年都高達數百萬(wàn)美元。只要數以千計的忠誠于68K的開(kāi)發(fā)人員尚未退休，它的市場(chǎng)份額暫時(shí)不會(huì )輕易失去。

Innovasic公司發(fā)現了CISC的潛在機遇，設計制造了一款與Freescale公司 68K系列相兼容的、新型32位Fido 1100微處理器芯片。Fido 1100并不只是一款克隆68K的產(chǎn)品，而是在68K結構的基礎上，增加了創(chuàng )新的外設與硬件實(shí)時(shí)任務(wù)切換等新技術(shù)。

仿制高手

Fido 是Innovasic生產(chǎn)的第一款兼容于68K的芯片。其實(shí)Innovasic是克隆微處理器經(jīng)驗豐富的廠(chǎng)家。過(guò)去十年以來(lái)，Innovasic的工程師們曾為停產(chǎn)的多個(gè)8位和16位微控制器生產(chǎn)過(guò)完全兼容的替代產(chǎn)品。不僅軍方是Innovasic的大量客戶(hù)，在尋找市面上難以找到的產(chǎn)品時(shí)，嵌入式和業(yè)界的設計人員也會(huì )經(jīng)常想起Innovasic。Innovasic的仿制經(jīng)驗使其充滿(mǎn)自信地推出了自己的原始芯片Fido，這款芯片雖然沿用了68K的編程模式和指令集，但芯片關(guān)鍵的微結構內核、內部總線(xiàn)、以及外設等的設計都是自主的創(chuàng )新。例如，Fido使用的鐘頻提高到66MHz，以取勝于Freescale的 680x0和ColdFire。
　　
真正的實(shí)時(shí)

Fido的設計讓人感覺(jué)有些“自相矛盾”。如它所兼容的68K指令集是卡特時(shí)代的產(chǎn)品，但Fido的微結構內核卻驚人地現代化。Fido芯片的外設類(lèi)別看似極為平常的I/O，而其實(shí)現卻絕非一般。粗覽數據表時(shí)，Fido顯得十分普通，但實(shí)際上卻有創(chuàng )新的技術(shù)內涵。Fido通過(guò)硬件取代一貫沿用的常規軟件任務(wù)切換，提高性能的同時(shí)也簡(jiǎn)化了新手的使用。片上有五組32位程序員可見(jiàn)的地址、數據和控制/狀態(tài)寄存器組?？梢栽趩我粫r(shí)鐘周期內，從某一寄存器組切換到其他任一組。由這套硬件代替傳統的軟件任務(wù)切換功能，或代替傳統實(shí)時(shí)操作系統的初等操作內核。嵌入式應用中，有了這套硬件，就足夠應付五個(gè)任務(wù)以?xún)鹊囊磺胁僮鞴芾砹?。五個(gè)任務(wù)以下的操作管理也是一般應用都會(huì )用得著(zhù)的。Innovasic 建議，任務(wù)多于五個(gè)時(shí)，僅需在五組中的一組上運行傳統的軟件任務(wù)管理程序或實(shí)時(shí)操作系統即可。

圖1 Fido 1100方塊圖

Fido維護這五個(gè)任務(wù)，采用物理上雙份的程序員可見(jiàn)寄存器組，而且可以指定某一份在某個(gè)周期上使能。五個(gè)寄存器組的用戶(hù)及監控的特權級別與68K編程器的相同，當中斷或異常發(fā)生時(shí)，便無(wú)需處理器再行干預切換事物了。Fido的片上中斷控制器中含有中斷屏蔽位、中斷優(yōu)先級位、和為硬件任務(wù)指定中斷源域。從而，在該中斷開(kāi)放的情況下，就能夠觸發(fā)硬件任務(wù)的切換，或是由當前任務(wù)，如同任一68K處理器一樣，來(lái)處理中斷。

任務(wù)切換還有其他一些因素。程序員可以給五個(gè)寄存器組各分配一個(gè)優(yōu)先級，使高優(yōu)先級任務(wù)能中斷當前任務(wù)。另外，當前任務(wù)也能把自己置于休眠態(tài)，將控制讓予其他任務(wù)。從而，可以使用一個(gè)定時(shí)器即可簡(jiǎn)單地實(shí)現任務(wù)輪換，或優(yōu)先級任務(wù)切換。各種任務(wù)排列組合后的切換算法都是可能的，Innovasic認為這是留給程序員的最好練習。
　　
緊拽住軟件價(jià)值鏈

Fido 將Freescale CPU32+的指令集的字節數加倍，其執行時(shí)間與Freescale指令相比，處處有一個(gè)時(shí)鐘周期的差異。這一點(diǎn)并不奇怪，Freescale的 CPU32+，芯片不同，執行時(shí)間也不盡相同。作為Fido的客戶(hù)，要充分以利用CPU32+軟件開(kāi)發(fā)工具在這方面已有的功能。就是說(shuō)，絕大多數68K的開(kāi)發(fā)工具Fido都可以利用。如Fido這樣的新開(kāi)發(fā)的處理器，尚未建立自己軟件庫之前，都可以從Freescale原有開(kāi)發(fā)工具中獲取幫助。

Fido在確定性輸出方面，有三大特點(diǎn)：高速緩存具有確定性；I/O極具靈活性；和任務(wù)切換僅需單周期。

Fido所用的高速緩存并非是常用的那種高速緩存，實(shí)際是32KB的。程序員可以拆分和從新映射到處理器的幾乎全部代碼空間。這樣的安排，比通常中間暫存的DRAM更加靈活。它已經(jīng)不是普通意義下的緩存，倒是更像可寫(xiě)又可控的存儲器。另外最重要地是，它克服了通常高速緩存存在的不確定性。不確定性是實(shí)時(shí)系統中最致命的缺陷。Fido 1100除去32KB的確定性緩存，還附加24KB SRAM的一般暫存存儲器。

Fido的I/O，像許多微控制器片上集成的I/O控制器一樣，支持以太網(wǎng)、UART、I2C、CAN、SPI、和其他一些常用接口。實(shí)際上，Fido具有四個(gè)通用的可編程I/O控制器(UIC)，由它們模擬出上述的各種外設接口。每個(gè)UIC(見(jiàn)圖1)可以表現為高速串行口、16位并行口等等，直到10~100Mb/s以太網(wǎng)的MAC。Fido芯片上的每個(gè)UIC，都可以通過(guò)改變固件，而實(shí)現不同的配置或各種各樣的產(chǎn)品。

Fido的可編程I/O接口，是通用的但非唯一。 Fido的I/O設計與Ubicom的 IP3000系列芯片的很相似。 Cradle、 Cavium Networks、 Triscend (已被Xilinx收購)、 Morpho、 Stretch、和 Freescale等公司所生產(chǎn)的芯片，片內都具有可編程的I/O引擎，用以模擬各種標準的外圍接口。然而，Fido的方案中，UIC引擎的編程不是由用戶(hù)完成的。這一點(diǎn)與Freescale公司 PowerQUICC處理器中的通信引擎類(lèi)似。Innovasic將UIC引擎的結構及其指令的版權，死死地捏在自己手中。目前，Innovasic免費向客戶(hù)提供外圍設備接口的管理固件，它還宣布不久的將來(lái)，會(huì )有軟件外設問(wèn)世，眼下的客戶(hù)暫時(shí)要受點(diǎn)委屈。
　　
調試問(wèn)題

應該在編程時(shí)就該把調試和排錯考慮在內。調研表明，嵌入式的編程人員花費在調試上的時(shí)間，在項目的策劃、工程和編程的總時(shí)間里，約占40%以上。調試已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)者最頭疼的一項工作。綜上所述，需要一個(gè)能提供現成的優(yōu)秀調試工具的市場(chǎng)。很早以前，已有少數處理器生產(chǎn)商將調試電路直接集成在芯片之中。如Freescale 的后臺調試模塊(BDM，Background Debug Module)。BDM很受嵌入式編程人員的歡迎。Innovasic沒(méi)有復制Freescale的 BDM，而是研制了自己的BDM替代品，起名為軟件評價(jià)與集成調試環(huán)境，英文名的字頭縮寫(xiě)是SPIDER (Software Profiling and Integrated Debug EnviRonment)。SPIDER包括硬件斷點(diǎn)，跟蹤緩沖器，上下文識別寄存器等功能部件。

這些硬件資源與開(kāi)發(fā)用宿主機上的標準GNU/Eclipse操作系統、軟件工具等通過(guò)芯片上的串口(通常是以太口)或是片上的JTAG口相連接。硬件斷點(diǎn)與近代異常中斷標準中的典型做法一樣。它們應有上下文識別能力，應可設置成僅在指定上下文激活時(shí)才去觸發(fā)。程序員在調試五個(gè)硬件上下文寄存器中的任一個(gè)時(shí)，其他四個(gè)上下文寄存器應該照舊運行。

Fido片上的24KB SRAM、外部RAM、或是連接于以太口或JTAG口上的其他外存，都可以用作跟蹤緩沖器。因而可以說(shuō)，Fido具有無(wú)限的事件記錄能力，視外存的容量而定。如果程序員打算跟蹤的事件量過(guò)大，JTAG或以太口的帶寬可能會(huì )限制存儲器容量的發(fā)揮，但是無(wú)論如何，它畢竟是其他芯片所沒(méi)有的很有用的選項。只要不是對以太網(wǎng)接口本身進(jìn)行調試，可以通過(guò)JTAG使用以太網(wǎng)，這樣做能夠相當大地改善帶寬。要是工作于66MHz鐘頻，使用Fido的以太口會(huì )實(shí)現從容不迫的跟蹤記錄，而不致產(chǎn)生瓶頸。

Fido有一套包括：SDRAM控制器、雙通道DMA控制器、片選信號系統、和各種門(mén)類(lèi)的計數/定時(shí)器等穿插在一起的電路，用它可以組成各種硬件外圍設備。內部數據通道位寬雖是32位，而芯片的外部數據總線(xiàn)則為16位，另有16位的SDRAM接口，其中有13位為地址線(xiàn)，接口運行于內核頻率的66MHz。像各有自我側重的CISC處理器一樣，Fido能夠完成向任意外部地址傳輸非整體總線(xiàn)寬度的數據。

能買(mǎi)得起嗎？

Fido是哪一類(lèi)的處理器，在哪些方面有競爭力呢？Fido 1100是具有大量數據輸出門(mén)，16位封裝，低價(jià)位(每千片單價(jià)10美金)，與時(shí)俱進(jìn)的32位微處理器。Fido 1100，比一般簡(jiǎn)單的微控制器多硬件的乘法器和筒形移位寄存器。它是16位難于滿(mǎn)足性能要求時(shí)的潛在升級產(chǎn)品。Fido 1100雖說(shuō)是新芯片，而實(shí)際上與Freescale的68K同宗。所以，68K的開(kāi)發(fā)系統、68K的經(jīng)驗，和原有的支撐軟件都可以照樣使用。

Fido的部分魅力來(lái)自68K的血統，所以原有基于68K的各種芯片，自然而然地就成為相互競爭的對手。

表1中的ColdFire 5206與Fido價(jià)格一樣，而運行速度較Fido慢了一倍，片上的RAM及外設也都較少。至于ColdFire v2，有Fido缺乏的硬件乘法累加器(MAC)和整數除法指令，可惜對許多用戶(hù)也還是不足夠。Freescale的其他基于CPU32的控制器，如68360、68328等，與Fido的性能相當，可惜的是，它們的外設都是硬線(xiàn)邏輯的。純種的680x0 處理器，如030、040，它們的工作頻率較低，都只有40MHz，比Fido的運行速度慢，而價(jià)格又高出很多。但是，它們比Fido多了浮點(diǎn)運算單元(FPU)，卻又缺乏外設。正確地說(shuō)，它們的差異，原自于服務(wù)目標的不同。ColdFire有更多更好的性能，運行速度也很高。其中的5270系列與Fido有同樣的速度，同樣的外設、總線(xiàn)、存儲控制器，和同樣的價(jià)格。Freescale的芯片都使用的是慣用高速緩存，故而都存在令人煩心的時(shí)鐘周期不確定的缺陷。

注意：Fido的可變成通用I/O控制器一次只能模擬一種I/O接口。例如，一個(gè)UIC編程為以太網(wǎng)的MAC時(shí)，就不能再同時(shí)編程為UART。所以有些場(chǎng)合，Fido的I/O能力比專(zhuān)用的I/O控制器受到更多的限制。表中的N/A位數據未能提供。

結語(yǔ)

總而言之，Innovasic的Fido 1100為新型的32位微控制器開(kāi)創(chuàng )了一個(gè)新的起點(diǎn)。多少年來(lái)，68K芯片一直缺乏第二來(lái)源。在A(yíng)RM、 MIPS 、和 Power Architecture的芯片都有多個(gè)廠(chǎng)家供貨的時(shí)代，能夠看到一向保守的68K也有了第二來(lái)源，令人十分欣慰。

在工業(yè)應用領(lǐng)域中，芯片執行時(shí)間的可預測性是頭等重要的大事；軟件的執行時(shí)的時(shí)間擺動(dòng)會(huì )引起機械問(wèn)題或復雜的調整問(wèn)題。有少數的重要項目的開(kāi)發(fā)者的全部的工作就在于計算周期數。在那里，高速緩存被禁用，就連DRAM也需經(jīng)過(guò)仔細地處理，因為其刷新周期有時(shí)會(huì )意想不到地中斷總線(xiàn)的正?；顒?dòng)。這樣的市場(chǎng)，正是Innovasic展示自己經(jīng)驗，Fido顯示克服周期搖擺的良好時(shí)機。

對于主流的開(kāi)發(fā)者，Innovasic應該可以頂替Freescale的ColdFire系列產(chǎn)品。Fido使用軟件來(lái)定義各種外設的特色，對于那些混合型終端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)者具有最大的誘惑力。他們期望能夠輕松地配置出混合的外圍設備，伴隨著(zhù)自然而然地同時(shí)也就得到了期望得到的終端產(chǎn)品?；ㄙM同樣10美元的代價(jià)，用下載軟件的方法就可以獲得各種所需的I/O的組合，再加上Fido獨具的68K血統的優(yōu)點(diǎn)，對于既求實(shí)用又具懷舊情調的開(kāi)發(fā)者，Fido將是最佳的選擇。(梁合慶編譯)