嵌入式系統(tǒng)中“軟外設”的研究
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。
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(jīng)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(jīng)能夠在CPU上實現(xiàn)。Motoro la公司已經(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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。
?。?) 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。可以在片上存儲器與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。
?。?) 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。
?。?) 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(chǎn)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)
linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
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