本文介紹了一種採用PLD和數(shù)據(jù)通路（datapath）來解放微控制器系統(tǒng)中CPU任務(wù)的方案。在大多數(shù)微控制器結(jié)構(gòu)中，智慧的CPU身邊總會環(huán)繞著一系列不可程式的週邊設(shè)備。週邊設(shè)備的功能有限，通常它們只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換。例如，I2C週邊設(shè)備只是實(shí)現(xiàn)串列和平行數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換，而ADC則實(shí)現(xiàn)類比到數(shù)位訊號的轉(zhuǎn)換。CPU因此不得不完成所有的數(shù)據(jù)處理工作，實(shí)際上它還能做些更有用的事情。此外，管理週邊設(shè)備將會導(dǎo)致CPU韌體異常復(fù)雜，并可能需要一個(gè)快速高效的CPU在即時(shí)的時(shí)序限制下執(zhí)行這些韌體。這又會導(dǎo)致更多的潛在程式漏洞，因而需要使用更復(fù)雜和昂貴的除錯(cuò)設(shè)備等。

　　但是如果週邊設(shè)備具備足夠的復(fù)雜度、靈活度與智慧，是否能有效地減輕CPU的許多任務(wù)呢？復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以透過結(jié)構(gòu)重建，變?yōu)橐唤M分佈在CPU和週邊設(shè)備中間的簡單設(shè)計(jì)。CPU將可以執(zhí)行更少的任務(wù)，或進(jìn)行更少的中斷處理，因而使程式漏洞更容易被發(fā)現(xiàn)和修正。整體設(shè)計(jì)將使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，并且便于再使用部份設(shè)計(jì)。CPU處理任務(wù)減少就可以執(zhí)行在較低的速度，因而降低功耗，或者這些額外可用頻寬可用來實(shí)現(xiàn)市場部規(guī)劃的下一代產(chǎn)品。然而，週邊設(shè)備設(shè)計(jì)仍需具成本效益，否則整個(gè)微控制器可能變得太貴。本文將展示如何把智慧、靈活、低成本、可定製的數(shù)位週邊設(shè)備設(shè)計(jì)到微控制器并配置，以幫助實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分佈式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　智慧邏輯選擇─PLD還是數(shù)據(jù)通路？

　　通常有兩種方法建構(gòu)一個(gè)智慧的可配置週邊設(shè)備。首先是使用PLD。如圖1所示，PLD有一個(gè)驅(qū)動若干巨集單元的積和（sum of products）邏輯閘陣列?！甌’和‘C’符號表示每一個(gè)乘積項(xiàng)都能產(chǎn)生一個(gè)真值或補(bǔ)數(shù)（反向）輸出，這樣無論是正、負(fù)邏輯都可以支援。

　　圖1：一個(gè)PLD實(shí)例（包括12個(gè)輸出項(xiàng)、8個(gè)乘積項(xiàng)、4個(gè)巨集單元）。

　　圖1顯示了一個(gè)簡單的PLD例子。PLD可以有成百上千的巨集單元，每個(gè)巨集單元最高由16個(gè)乘積項(xiàng)驅(qū)動。乘積項(xiàng)裡的與閘和或閘可以互聯(lián)形成高度靈活的定製邏輯功能。巨集單元是典型的時(shí)脈架構(gòu)，它們的輸出可以反饋到乘積項(xiàng)陣列，因此允許製作狀態(tài)機(jī)。

　　大規(guī)模PLD可以用來形成復(fù)雜的邏輯功能，甚至是完全的CPU，因此PLD當(dāng)然可以用來實(shí)現(xiàn)智慧數(shù)位週邊設(shè)備。然而，很多閘可能只是實(shí)現(xiàn)諸如計(jì)數(shù)器或加法器等簡單的邏輯功能，但對于更復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)，基于PLD的方案就會變得很貴。從某種程度上說，使用真正的CPU會更合理。

　　CPU的一個(gè)非常簡單的形式是基于算術(shù)邏輯單元（ALU）的數(shù)據(jù)通路，也稱為奈米處理器（nano-processor）。數(shù)據(jù)通路只是實(shí)現(xiàn)幾個(gè)常用函數(shù)，但會比使用PLD實(shí)現(xiàn)的效率更高。圖2：顯示了一個(gè)基于ALU的簡單的數(shù)據(jù)通路。典型的ALU可以進(jìn)行各種作業(yè)，通常是8位元作業(yè)：向上計(jì)數(shù)（遞增）、向下計(jì)數(shù)（遞減）、加、減、邏輯與、邏輯或、邏輯異或，左位移、右位移。這裡有兩個(gè)8位元累加器，它們能夠?yàn)锳LU輸出充當(dāng)輸入數(shù)據(jù)暫存器或記憶體。一個(gè)輸入時(shí)脈訊號沿產(chǎn)生一次作業(yè)。函數(shù)選擇暫存器用來控制：

　　圖2：基于ALU的數(shù)據(jù)通路。

　　* 產(chǎn)生什么作業(yè)。

　　* 該作業(yè)的源暫存器。

　　* 輸出的目的暫存器。

　　根據(jù)數(shù)據(jù)通路的具體設(shè)計(jì)，其可能會做一系列復(fù)雜作業(yè)，如表1顯示。

　　表1：數(shù)據(jù)通路函數(shù)的實(shí)現(xiàn)舉例。

　　這個(gè)函數(shù)選擇模組實(shí)際上可以是一個(gè)小容量的SRAM，預(yù)加載所需的函數(shù)選擇位元，SRAM的地址線可以用來選擇執(zhí)行哪個(gè)作業(yè)。最后，多數(shù)據(jù)通路可以用進(jìn)位和移位訊號鏈在一起，以便可以進(jìn)行多位元組作業(yè)數(shù)。

　　由于數(shù)據(jù)通路只有少數(shù)特定功能函數(shù)，很容易最佳化設(shè)計(jì)，因此其製作成本較低。然而，對于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯，數(shù)據(jù)通路遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有PLD那么靈活。那么，對于製作智慧、靈活、低成本的數(shù)位週邊設(shè)備來說，哪一種方法是更好的呢？是PLD還是數(shù)據(jù)通路？答案是，將兩者相結(jié)合。下面是一個(gè)實(shí)例，來看看是如何實(shí)現(xiàn)的。

　　通用數(shù)位模組

　　同時(shí)使用PLD和數(shù)據(jù)通路的系統(tǒng)實(shí)例是Cypress半導(dǎo)體的PSoC3和PSoC5晶片。每個(gè)系統(tǒng)包含最高24個(gè)通用數(shù)位邏輯子系統(tǒng)，稱為通用數(shù)位模組（UDB），其結(jié)構(gòu)如圖3所示。一個(gè)UDB包含兩個(gè)圖1所示的PLD，一個(gè)數(shù)據(jù)通路以及狀態(tài)機(jī)和控制暫存器。有兩個(gè)鏈路路徑，一個(gè)用于PLD，一個(gè)用于數(shù)據(jù)通路。由一個(gè)路由通道來連接各UDB子區(qū)塊之間以及UDB之間的訊號。PLD配置、數(shù)據(jù)通路和路由透過寫入U(xiǎn)DB配置暫存器來實(shí)現(xiàn)（圖中未顯示）。

　　圖3：通用數(shù)位模組（UDB）結(jié)構(gòu)圖。

　　UDB的PLD設(shè)計(jì)在圖1中進(jìn)行了描述。如圖4，UDB數(shù)據(jù)通路類似于圖2所示的基本的數(shù)據(jù)通路，但是它更精密復(fù)雜，因?yàn)閾碛懈鄷捍嫫骱透嗟墓δ堋?/p>

　　圖4：UDB數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)圖。

　　* 8位元ALU可以實(shí)現(xiàn)所有的七個(gè)基本函數(shù)─遞增、遞減、加、減、與、或以及異或，并且它有單獨(dú)的位移和位元遮罩模組來進(jìn)行ALU結(jié)果后處理（8位元ALU傳輸功能只需透過ALU傳送一個(gè)值完整移和位元遮罩模組）。位移模組可以做左位移、右位移、半位元組交換和傳輸。遮罩模組可以和單獨(dú)的遮罩暫存器裡的內(nèi)容逐位元相與（圖中未顯示）。

　　* 作業(yè)可以使用兩個(gè)累加器（A0，A1）和兩個(gè)數(shù)據(jù)暫存器（D0，D1）來完成。兩個(gè)FIFO暫存器（F0、F1）可用來在數(shù)據(jù)通路和CPU之間傳輸數(shù)據(jù)。FIFO深度可達(dá)4位元組。這一結(jié)構(gòu)可以使多任務(wù)處理變得簡單；在不同的時(shí)間，獨(dú)立作業(yè)可以在暫存器子集完成。例如，A0、D0、F0可以用于一個(gè)任務(wù)，而A1、D1、F1則適用于不同的任務(wù)。

　　* 廣泛的狀態(tài)條件（例如：比較、零檢測、所有個(gè)體檢測、溢出檢測）可以應(yīng)用到累加器，數(shù)據(jù)暫存器，以及路由到元件其它地方。

　　靈活的路由

　　雖然UDB在PLD和數(shù)據(jù)通路兩個(gè)子系統(tǒng)都有很多特色，但廣泛的數(shù)位路由讓它們?nèi)缁⑻硪?。訊號可以在PLD和數(shù)據(jù)通路之間路由，遍及整個(gè)UDB和元件的其它地方，形成了復(fù)雜的數(shù)位系統(tǒng)互連（DSI）結(jié)構(gòu)。

　　實(shí)例

　　本例中，用一個(gè)UDB數(shù)據(jù)通路來製作一個(gè)帶重載（reload）功能的8位元數(shù)位計(jì)數(shù)器。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，連接一個(gè)狀態(tài)條件回到控制存貯SRAM地址線，如圖5所示。

　　圖5：用UDB數(shù)據(jù)通路製作帶重載功能的計(jì)數(shù)器。

　　在這個(gè)設(shè)計(jì)中，A0是計(jì)數(shù)暫存器，D0是重載暫存器。需要兩個(gè)函數(shù)，一個(gè)用來遞減計(jì)數(shù)，一個(gè)從週期暫存器重載計(jì)數(shù)器；這些函數(shù)在控制儲存RAM裡預(yù)載了。

　　邏輯如下：當(dāng)A0不為0時(shí)，狀態(tài)輸出將會變低，在地址0會執(zhí)行遞減作業(yè)。當(dāng)A0為0時(shí)，狀態(tài)輸出將為高，在地址1會執(zhí)行重載作業(yè)。

　　所有作業(yè)都產(chǎn)生在時(shí)脈輸入的上升沿，可以記錄時(shí)脈沿?cái)?shù)量。時(shí)脈輸入可以來自各種時(shí)脈源。狀態(tài)輸出可以透過DSI路由，包括到DMA和中斷請求輸入。使用數(shù)據(jù)通路鏈和遮罩模組，該計(jì)數(shù)器的大小可以是任何位數(shù)，不受限于8的倍數(shù)。

　　圖5所示為減法計(jì)數(shù)器。它可以很容易的轉(zhuǎn)換成加法計(jì)數(shù)器，可以透過使用不同的狀態(tài)輸出（A0= =D0）和控制儲存SRAM裡的不同函數(shù)：A0=A0+1和A0=A0A0。異或任何值的結(jié)果永遠(yuǎn)為0。

　　透過使用PLD這個(gè)簡單的設(shè)計(jì)可以創(chuàng)造更復(fù)雜的應(yīng)用。以一個(gè)紅綠燈控制器為例，紅綠燈控制器週期由綠、黃、紅叁種狀態(tài)構(gòu)成，因此需要一個(gè)狀態(tài)機(jī)。每個(gè)狀態(tài)變化到下一個(gè)狀態(tài)之前會持續(xù)一定時(shí)間，所以必須有一個(gè)計(jì)數(shù)器。為了簡單起見，假設(shè)‘綠燈’時(shí)間和‘紅燈’是相同，但‘黃燈’時(shí)間不同。

　　只需要使用3個(gè)數(shù)據(jù)通路暫存器（假設(shè)為8位元計(jì)數(shù)值）就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)時(shí)序結(jié)構(gòu)。A0為計(jì)數(shù)暫存器，D0為‘綠’和‘紅’狀態(tài)保持計(jì)數(shù)器重載值，D1為‘黃’狀態(tài)保持計(jì)數(shù)器重載值。模組結(jié)構(gòu)圖如圖6顯示。

　　圖6：採用UDB PLD和數(shù)據(jù)通路建構(gòu)的紅綠燈控制器結(jié)構(gòu)圖。

　　要保存在控制儲存RAM裡的作業(yè)是：

　　A0 = A0 - 1 // 計(jì)數(shù)

　　A0 = D0 // 重載‘綠’或‘紅’

　　// 計(jì)數(shù)值

　　A0 = D1 //重載‘黃’值

　　狀態(tài)機(jī)在PLD裡實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)通路條件輸出反饋到PLD，以顯示需要改變狀態(tài)了。PLD也有這樣的邏輯，根據(jù)目前的狀態(tài)和從數(shù)據(jù)通路反饋的訊號，控制執(zhí)行哪個(gè)數(shù)據(jù)通路作業(yè)和哪個(gè)燈要點(diǎn)亮。

　　超越基礎(chǔ)

　　紅綠燈控制器是一種簡單的應(yīng)用類型，通常使用CPU編程。然而，我們已經(jīng)看到，除了初始化程式碼，這個(gè)功能可以完全和CPU沒關(guān)係而可以由智慧的可配置週邊設(shè)備完成。這個(gè)功能可以很容易地?cái)U(kuò)展以支援附加需求，例如轉(zhuǎn)換訊號、行人行走訊號、車輛檢測感測器、流量/緊急事件轉(zhuǎn)發(fā)器。

　　CPU需要做什么

　　透過使用PLD和數(shù)據(jù)通路的有效組合，可以製作智慧的、靈活的、低成本的週邊設(shè)備，以減輕CPU的負(fù)擔(dān)。然而，如果這么多的功能都由週邊設(shè)備處理了，那還留著CPU做什么呢？在許多情況下，CPU不需要做很多事，在某些情況下系統(tǒng)初始化后，CPU就可以關(guān)掉了。不過，更實(shí)用的方案是使用CPU做CPU能做得最好的事情，例如：

　　* 復(fù)雜的運(yùn)算

　　* 字符串和文本處理

　　* 資料庫管理

　　* 通訊管理

　　* 系統(tǒng)管理

　　例如，在我們的紅綠燈應(yīng)用中，CPU可以用于以下幾個(gè)方面：

　　* 檢測車輛闖紅燈

　　* 使用相機(jī)拍攝牌照

　　* 從照片上擷取車牌文字資訊

　　從國家資料庫中查閱車主資訊，以及* 向車主發(fā)送罰單

　　透過由智慧週邊設(shè)備完成很多任務(wù)，CPU可以輕鬆地去做更有價(jià)值的任務(wù)。