不增加成本的32位移植設計

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一個8位的或者16位的CPU或許能夠滿足你當前的應用需求。但是為了保持競爭力，你必須對你的產(chǎn)品做出持續(xù)不斷地改進，包括你要不斷的增加它的新特性、不斷地提升它的速度，并在提升它規(guī)格的同時降低成本。如果你不做這些，而你的競爭對手在做，你將被甩開。

保持競爭優(yōu)勢的一個方法是通過逐步改善你現(xiàn)有的設計。但隨著時間的推移，架構的限制可能會是這個過程變得越來越緩慢，成本也越來越高。因此你可以將你的設計移植到32為平臺，這會提升你產(chǎn)品在以下幾個方面的性能。

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表1：移植到32位平臺的優(yōu)勢

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你真的需要將你的產(chǎn)品移植到32位平臺嗎？

當你把產(chǎn)品重一個8位的CPU移植到一個32位的CPU上面的時候，有幾點時一定要考慮的。首先是你現(xiàn)有的CPU是否仍然時可用，你將產(chǎn)品搬到32為平臺是否能夠有一個優(yōu)勢的提升或者性能的改進。8位的應用程序通常是通過簡單的計算實施基本的感知和控制。8位的CPU在計算值低于256的時候，它的位操作和應用程序的表現(xiàn)是很好的，例如一個廣為人知的架構8051。

即使最小的32位CPU也能做到8位CPU所能做到的一切，如圖1所示。

1、能夠處理更復雜的計算。例如包括本機自帶的DSP、圖像處理以及姿勢識別功能。

2、數(shù)據(jù)挖掘和分析、數(shù)據(jù)庫查找。

3、實時的多任務處理系統(tǒng)。

圖1-使用Dhrystone做基準的單片機性能比較

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即使你不需要使用上述的這些強大性能，32位CPU也能從如下幾個方面提升你的設計：

能耗：例如這樣一個常見的低功耗設計：CPU先處于睡眠的低功耗模式,定期醒來并在主動模式下執(zhí)行代碼(圖2)。在兩種模式下32位CPU可能需要比8位CPU更多的用電,但32位CPU花更少的時間執(zhí)行代碼。因此,32位CPU更多的時間是在低功耗模式下的。在許多情況下,這可能會導致它的平均功率比8位CPU更小。

圖2：計算密集型任務的平均能耗比較

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可升級：現(xiàn)在，大多數(shù)CPU的銷售是跟著一個可以從低性能升級到高性能的產(chǎn)品系列銷售的。如果你的的產(chǎn)品想要升級，那么你的CPU也是必須可以升級的。CPU升級是就從以下方面而言的：

1、指令集、系列里的高端成員應該有更多的指令或者更多現(xiàn)有指令的操作模式,同時保持對低端成員的的向后兼容性。

2、更多的寄存器、或者現(xiàn)有的寄存器有更多的定義位。

3、更多的功能，例如中斷控制和調(diào)試。

ARM Cortex-M處理器家族是CPU可升級的最好的例子。如圖3所示：

圖3-ARM Cortex-M處理器家族概述

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成本：也許會有一個感知的錯誤，會認為32位CPU會花費跟多的成本。但是隨著技術的發(fā)展，32位的CPU不一定會比8位的CPU貴，現(xiàn)在已經(jīng)有很多的低成本的32位CPU了。例如：因為它簡單的設計和占有小硅區(qū)域的ARM Cortex-M0內(nèi)核，使它更加劃算。舉一個Cypress半導體入門級PSOC 4000CPU為例，它只有0.29美元的價格。

此外，表1顯示支持高代碼密度和更快執(zhí)行速度的32位CPU可以幫助降低成本。

這不僅僅關系到CPU

通常只關注您的固件代碼移植到新的CPU。但是，請記住CPU只是MCU的一部分，MCU可以盡可能的為它的CPU提供改進機會去滿足客戶的改進要求。例如：

1、MCU的外圍設備能夠提升產(chǎn)品的功能嗎？

2、外圍設備操作能使用更少的代碼嗎？能夠降低CPU的負載嗎？這可能導致該系統(tǒng)使用更少的內(nèi)存，可能降低成本。

3、該器件可以幫你節(jié)省板級和系統(tǒng)級的成本嗎？例如，你可以將PCB板上的某些功能移動到MCU里。

4、MCU足夠靈活,能夠讓你適應不斷變化的需求，而不必制定新電路板嗎?

最后,請注意,單片機設備通常只有集成開發(fā)環(huán)境(IDE)支持它。確認新的IDE不僅僅是一個編輯器，編譯器和調(diào)試器。IDE使您能夠快速構建整個應用程序、使用單片機的硬件特性以及固件可以顯著加速設計。開發(fā)工具包和應用筆記也很有幫助。

代碼移植技巧

如果你決定移植一個設計到32位CPU上去，記住這些注意事項：

選擇一個入門級的32位CPU /單片機和IDE。作為你的第一個移植進入32位器件代碼，請保持它簡單,這將減少引入缺陷的風險，你也會熟悉32位設計的不同之處。選擇一個基本的入門級設備，以及一個IDE,可以簡化移植過程。Cypass半導體的一個例子是PSoC 4000MCU,由PSoC創(chuàng)造IDE支持。

選擇一個新的編譯器。當你代碼移植到一個新的CPU,你也必須選擇一個新編譯器。大量的編譯器，其中一些是免費的,可用于32位CPU。例如：GCC，ARM/Keil MD，IAR。

讓你的構建和調(diào)試工具工作。創(chuàng)建一個小測試程序，例如閃爍LED燈。你會獲得使用新工具的經(jīng)驗，這將幫助您完成下面的步驟。

匯編代碼重寫。理想情況下，你的現(xiàn)有代碼應該用C(或者其他一些更高級的語言)。任何8位處理器的匯編語言代碼是不可移植的。如果你在當前設計中有任何的匯編代碼，考慮在C下面重寫它，在開始移植過程開始之前。

封裝特別的代碼。如果你的代碼已經(jīng)模塊化了(編碼最佳實踐)。代碼的移植直接與單片機寄存器對應，比如讀I /O端口,應該和文件中和其余部分的代碼分開。在這些文件中封裝代碼并按功能命名，例如UART_Receive()。然后你可以重寫這些功能為新的單片機無需更改代碼的其余部分。

其他體系結(jié)構更改一個新的單片機可能允許您卸載功能從CPU到外圍設備。此外，一個新的IDE可以自動生成代碼。利用這些特性，考慮重新建構代碼的部分或全部。

因為32位CPU更容易實現(xiàn)任務切換,考慮重新建構代碼作為一組單獨的任務被一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)使用。例如：32位系統(tǒng)RTOS供應商Segger和Micrium。

增加的構建和調(diào)試，在設計新代碼時，最佳的做法是小部分小部分的增加、測試和調(diào)試代碼
。這使得它更容易找到并修復缺陷。這同樣適用于移植——在新的MCU上移植、測試和調(diào)試代碼也是一部分一部分的進行。

CPU和MCU舉例，為了對移植過程有更好地理解,讓我們來詳細了解一下上下文中ARM Cortex-M0和PSoC 4000。ARM Cortex-M0處理器是最小的ARM核心。其寄存器架構(圖4)和指令集使它支持C工具。

圖4：Cortex-M0登記冊架構

所有寄存器都是32位，使用32位尋址，擁有4Gbyte地址空間。大多數(shù)8 位CPU僅限于64Kbyte的地址空間。

有12的通用寄存器。(低寄存器R0-R7有更多的支持指令集)。特殊寄存器包括:

• 雙堆棧指針(R13)來幫助實現(xiàn)一個實時操作系統(tǒng)(RTOS)
• 鏈接寄存器(R14)快速從函數(shù)調(diào)用返回
• 程序計數(shù)器(R15)
• 程序狀態(tài)寄存器(PSR)包含指令的結(jié)果如零和保持標志以及當前異常數(shù)
• 中斷屏蔽寄存器
• 控制寄存器控制堆棧指針哪個有效

Cortex-M0核心指令集設置簡單但功能強大并且有大量的處理模式。它擁有優(yōu)秀的代碼密度。從一個8位的CPU將C代碼移植到Cortex-M上，CPU經(jīng)常使用更少的內(nèi)存。

ARM Cortex-M系列CPU指令流水線,如圖5所示。這就增加整體代碼執(zhí)行速度,因為CPU可以執(zhí)行一條指令的同時抓取和解碼后續(xù)指令。

圖5：Cortex-M處理器中的流水線劃分

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ARM Cortex-M CPU系列集成支持中斷直接進入CPU內(nèi)核，使用一個嵌套矢量中斷控制器(NVIC)。NVIC功能包括:

• 自動動態(tài)優(yōu)先級和優(yōu)先等待中斷嵌套
• 低延遲——CPU自動存儲和恢復其狀態(tài)沒有指令的開銷
• 遲到——一個高優(yōu)先級的中斷在一個低優(yōu)先級中斷服務堆棧推操作期間到來時被優(yōu)先執(zhí)行。

這些特性能夠更快并決定中斷處理。系統(tǒng)定時器”SysTick”促進RTOS的使用和可以操作在CPU睡眠，也包括在內(nèi)。有高水平中斷支持可用，您可以考慮改變你的架構更依賴中斷處理。

ARM的Cortex-M處理器系列集成調(diào)試功能在CPU內(nèi)核,支持多個IDE便于調(diào)試。

Cortex-M0內(nèi)核是Cortex-M處理器大家庭的一部分，它們有相同的寄存器架構和執(zhí)行部分或全部Thumb-2指令集,這使得它更容易升級到一個更強大的CPU。例如Cypress的PSoC 5 LP Cortex-M3處理器。

PSoC? 4000是入門級PSoC 4系列的一員。除了Cortex-M0處理器,它有一組可靈活動態(tài)配置外圍設備,如圖6所示。

圖6：PSoC 4000框圖

這種CPU也有電容式觸摸感應特性。電容式感應在成本、性能和防靜電保護方面比機械按鈕有顯著的優(yōu)勢。

電容式感應功能包括：

• 容易實現(xiàn)按鈕、滾動條和接近報警解決方案，每個I/O引腳擁有16個輸入路經(jīng)
• 高信噪比(信噪比)確保在嘈雜的環(huán)境中的觸摸精度
• SmartSense自動調(diào)節(jié)速度和不需要校準

電容式感應塊包括兩個DAC和一個比較器，您可以把它用作其他目的如果CapSense不需要使用。

Cypress也提供PSoC開發(fā)工具，一個適用于PSoC3、4和和5 LP設備的集成設計環(huán)境(IDE)。PSoC開發(fā)工具是一個免費的基于windows的IDE支持PSoC-based系統(tǒng)的硬件和固件設計。

你可以使用經(jīng)典的，熟悉原理圖來設計。組件包括自動生成API代碼,可以大大減少您編寫的代碼量。使用PSoC開發(fā)工具是很容易實現(xiàn)在PSoC系列之間的設計移植在。如圖7所示。
您還可以導出PSoC的設計到其他IDE，例如：μVision 和IAR。

? 圖7：PSoC開發(fā)工具進行組件配置

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現(xiàn)在升級遺留8位和16位設計到32位平臺是很簡單的，同時仍然滿足成本目標。幾個因素必須牢記當計劃移植到一個新的CPU；要選擇的一個初級32位單片機并且有好的IDE支持。