嵌入式系統中“軟外設”的研究

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

　　一 介紹

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

　　近年來(lái)，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的處理器廠(chǎng)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(chēng)他們的32、64位RISC處理器已經(jīng)能用軟件實(shí)現更多更強的功能，指令集也更為豐富，甚至包括DSP方面的許多功能現在已經(jīng)能夠在CPU上實(shí)現。Motoro la公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于SM56PCI接口的用純軟件實(shí)現的調制解調器。這些都說(shuō)明電路設計已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的時(shí)期。

　　目前，電子設計中把外設嵌入進(jìn)系統的方法主要有兩種。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(shí)現，CPU內核往往為Altera和Xilinx等FPGA生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的軟件模塊。以上兩種方法都需要開(kāi)發(fā)人員熟悉硬件描述語(yǔ)言，但在實(shí)際應用中CPU內核以及各種IP核的使用的往往要得到產(chǎn)權許可，而且可編程邏輯芯片體積大，價(jià)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(mǎn)足系統穩定和系統負荷允許的條件下，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(lái)實(shí)現某種外設的功能。并且可以配置、升級、重組，從而完成特定的功能。應該說(shuō)明的是，并不是所有外設的功能都能完全由軟件實(shí)現，這種設計方法的目的是在系統允許的條件下盡量“以軟代硬”，以盡可能少的硬件開(kāi)銷(xiāo)取得最佳的性能比。

　　二 系統要求

　　下面給出具有軟外設的嵌入式系統結構圖。

　　下面給出對嵌入式系統的要求：

　?。?） 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，系統的頻率才能得以提高，軟外設和CPU之間才能高速傳送數據，軟外設才能得以高速運行而對系統整體工作不會(huì )有太多影響。建議采用帶有流水線(xiàn)、32位以上RISC核的CPU。

　?。?） 快速的中斷響應。軟外設均采用中斷方式向CPU提出服務(wù)請求?？梢栽谄洗鎯ζ髋c內部總線(xiàn)之間增加寄存器組來(lái)減少系統的中斷響應時(shí)間。

　?。?） 附加硬件模塊。正如前面所提，系統有些特性是不能由軟件實(shí)現的，象定時(shí)器、中斷控制器。另外在信號處理中由于A(yíng)/D、D/A轉換如果用軟件實(shí)現對系統開(kāi)銷(xiāo)太大，由硬件實(shí)現較好。

　?。?） 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(shí)時(shí)性強，有時(shí)需要和別的應用程序并行執行，在設計時(shí)可以把軟外設看作等待服務(wù)的任務(wù)，協(xié)調、安排好這些任務(wù)非常重要，根據任務(wù)的確定性可以把實(shí)時(shí)系統的進(jìn)程調度策略劃分為兩類(lèi)：一類(lèi)是靜態(tài)的，主要負責預先知道發(fā)生時(shí)間的任務(wù)；要求按進(jìn)度準點(diǎn)完成的任務(wù)；要求固定時(shí)間發(fā)生的任務(wù)。對這類(lèi)調度策略可以采用Round－robin算法或間隔算法（見(jiàn)3）。另外一類(lèi)是動(dòng)態(tài)進(jìn)程調度策略，負責那些不能預測何時(shí)發(fā)生任務(wù)；不知執行周期有多長(cháng)的任務(wù)。這是一些具有臨時(shí)性的任務(wù)，比如含有條件循環(huán)的任務(wù)（不知何時(shí)滿(mǎn)足條件）。以上兩種策略分別適用于不同的情況，在一個(gè)復雜的系統中，往往存在幾個(gè)要求并行執行的軟外設，進(jìn)程的調度對任務(wù)的同步和系統的優(yōu)化非常重要。

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

　　四 性能分析

　　現以示出了一個(gè)嵌入式系統的框圖，該系統采用Motorola公司生產(chǎn)的MCF5104型號CPU，接有三個(gè)軟外設，分別為UART、LCD和鍵盤(pán)控制器?，F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(jìn)行性能分析。

在UART實(shí)現程序中，共有16條匯編指令，假定每條指令需要一個(gè)時(shí)鐘周期（即CPI＝1），沒(méi)有奇偶校驗功能。通過(guò)改變CPU主頻（變化范圍為30～100），計算執行的時(shí)間占有CPU時(shí)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(guò)程如下：

　　假定CPU發(fā)送/接收一個(gè)字節的時(shí)間為t。UART軟外設的CPU占有率為T(mén)，則

　　t=指令數