改善嵌入式系統實時效能的新途徑
Steve McAslan
飛思卡爾半導體應用經理
Freescale Semiconductor U.K.
Kelvin Industrial Estate, Colvilles Road Glasgow, G75 OTG U. K.
Email: Steve.Mcaslan@freescale.com
在這個日趨復雜的世界，對于嵌入式處理器的要求也愈來愈高。去年也許使用128k的程序及4個實時處理緒列便足以執行應用程序，但是今年的產品規格已將所需內存提升為兩倍，中斷處理提高為三倍。要處理的信息本質似乎非常穩定－其實遠比您想象的還要多！去年的微控制器必須在兩個通訊總線上處理25筆4位的訊息，而今年已經必須要在4個通訊總線上處理200筆4位的訊息。在面對這種不斷升高的工作負荷時，自然傾向尋求更強大的處理器來執行工作。一般來說處理器效能的傳統趨勢是提升速度及數據總線，所以一個8位處理器可從8MHz提升到16MHz，一個16位的裝置升級為一個32位的裝置。但是，兩種作法都必須付出應用上的成本。更快的裝置可能消耗更多的電力，而且較不符合EMC的要求，更大的位寬度則會造成先前的軟件投資優勢盡失，并導致更多的冗余(例如使用32位的緩存器來處理4位的資料)。
飛思卡爾半導體(前身為Motorola半導體產品部門)了解這個持續的趨勢，因此在其新研發的S12X架構中采用創新的方法，可兼顧效能的提升與向后兼容性，并專注在效能提升的問題。這個新設計可在需要之處提升處理器的效能，也就是能實時處理信息。
動態內存存取(DMA)
改善系統實時效能的一個熟知的方法是，額外提供一個邏輯模塊，在事件發生時產生響應，并允許處理器在較方便的時間來處理信息。這個DMA控制器通常將傳送到模塊的信息復制到內存(RAM)，并允許已處理的信息自動從內存移到外部外圍裝置。所有這些工作皆獨立于目前的CPU活動－詳見圖1。這種方式肯定有所助益，但其效益僅限于延遲必然發生的事件－CPU還是得在某一時間處理信息。S12X采用一個根本的方法，即提供「智能型DMA」控制器，不只移動資料，同時直接執行所有的處理工作。如圖2所示，這個新的XGate可以從外圍裝罝擷取信息，連同其它資料(例如內存中的資料)一并處理，然后傳送到另一個外圍裝置，其間完全不需CPU的介入。
XGate
XGate控制器已完全整合到新推出的MC9S12XDP512微控制器－暢銷的飛思卡爾半導體S12家族最新成員。XGate是一個可程序的16位RISC核心，極適用于實時及DMA類型運作。與S12X裝置的整合意謂從微控制器的任何一個外圍裝置傳來的中斷都可以由主CPU或XGate處理。XGate可以：
讀寫所有外圍裝置及內存
讀取閃存(flash)中的信息
可設定以執行復雜的工作
為了讓XGate達到最大效能，其主要程序通常儲存位于內存中。這使得80MHz的時脈可應用于控制器，相對于S12X CPU只需使用40MHz。而且，S12X架構不同于傳統的DMA，可保證XGate每一個CPU周期至少可存取內存一次。
XGate編程
如要讓「智能型DMA」更為實用，必須使它容易編程。在理想的環境下，軟件工程師應該能夠導入以C語言編寫的既有程序代碼，并針對DMA重新組譯。基于這個原因，XGate選擇16位RISC機器作為程序撰寫模式，并有適用于C語言程序的指令集。
一般的系統完整性檢查系透過CRC16計算，也就是對一組資料模塊進行多項式計算，并透過產生最終檢核碼的值，來確認內存內容符合預期。這種算法可利用周期性的中斷來呼叫。飛思卡爾S12 MCU的這種算法之典型建置如圖3所示。在S12X上，此一算法可在XGate定期重新組譯及執行，其好處是系統設計者可在CPU上執行更多處理，卻不會降低系統檢查的效益。XGate不僅釋放CPU給其它活動，同時還使這個簡單算法的執行時間，獲得了4倍的驚人改善。這也讓設計者可以在相同期間所執行的CRC演算次數高4倍，藉此改善系統的自我檢查能力。值得注意的是，這項革命性的架構方法，僅透過簡單的重新組譯及重新導向周期性的中斷，便可帶來這些重大的優點。
S12X的自動化應用
大多數汽車應用對實時效能的要求都很高，通常超過模塊的實際功能。例如汽車的儀表板必須可以顯示車輛目前的狀態，同時可接收并處理從傳感器傳來的實時訊息。由于XGate不僅可以接收這項信息，還可予以格式化并儲存，因此CPU可用來響應駕駛人互動的時間便大量增加，更可減少顯示器可能出現的噪聲干擾。
根據廣泛使用的S12架構，這種雙重方法的好處就非常明顯了。
大多數現代化汽車都是利用通訊網關來允許不同的通訊網路互傳訊息。此外，網關還可以執行其它功能。XGate可以在大約4μs內執行一個典型的網關工作(檢查CAN ID，儲存于內存，然后復制到傳送緩沖器(transmit buffer)中)，而S12需9μs。這表示使用XGate，CPU可儲存高于9us的中斷。對一個具有5個CAN網絡完全滿載的非常忙碌連接網關而言，它可節省超過20%的CPU處理能力，卻僅用到XGate的10%。
對于一個更復雜的網關而言，要將個別位字段或訊號在多個CAN上進行路由傳送，XGate的處理速度通常可高于每秒處理35000 則訊息。
利用軟件建立自訂的解決方案
標準的嵌入式軟件設計活動就是建立硬件外圍裝置的軟件版本。典型的實例包括運用I/O建立一個序列通訊端口，或額外的PWM信道。S12X架構藉由建立高度復雜的「虛擬外圍裝置」，讓這種設計方法邁入新的層次。由于CPU的實時響應不受外在事件的影響，它可在配有一個基本CAN模塊的裝置上，直接建置完整的CAN節點，從標準的串行端口建立LIN模塊，從單一的定時器提供40個 PWM信道，還可提供其它變化的方式。由于這些變化完全由軟件控制，便可以混合及搭配各式組合。需要3個32個信箱的CAN模塊及2個8個信箱的模塊？沒問題！和另外一種將所有模塊都建置在硬件中的方法相比，這簡直是莫大的妙用，后者恐怕必須用到所有架構內的可能配置， 成本也會大幅增加。
簡化實時設計
除了提供改善的實時效能，這種雙重架構途徑也可為實時軟件設計者帶來意想不到的好處。許多架構式分析及設計工具依賴設計者將資料流處理與實時或控制處理分開。這個方法可以簡化高階設計，但卻隱藏了在建置時潛藏的效能問題。有了S12X，設計者可輕易確保實時處理不會互相沖突，因為主CPU可以完全將重心放在主要資料的處理。
