部署处理特定任务的单片机来简化复杂设计

如今，运行实时操作系统（RTOS）的大型32位单片机（MCU）和微处理器（MPU）日益普及。不过，如果使用一个大型单片机处理复杂的应用，可能会在执行小型后台处理任务时遇到CPU资源方面的问题，这些任务虽然并不复杂，但十分耗时。8位和16位MCU等小型器件可用于减轻32位器件的工作负荷。

试想一下这样一个示例：将一个32位MCU用于控制汽车的非安全功能，如娱乐系统、环境照明和空调。此32位器件必须对其资源进行分配，以便处理与这些功能相关的所有任务。这样的任务还包括测量驾驶室内多个点的温度、打开/关闭空调系统、更新图形显示、处理用户输入、调整照明条件和播放音乐。即使对于大型32位器件，这些工作量也过于繁重。

但是，如果32位器件将部分任务负荷转移给几乎不需要监控的子处理器，每个子处理器仅负责处理其中的1或2个任务，那么这些任务会更易于管理。这可以释放主处理器上的CPU资源，从而降低软件的复杂性，同时提高性能并缩短执行时间。

这种解决方案与单片机中的外设有异曲同工之妙。外设是专用硬件的小型模块，可以添加新功能（例如运算放大器或模数转换器），也可以减少执行给定功能时CPU必须承担的工作量。在某些情况下，初始化后，外设可独立于CPU运行。

为了说明外设的优势，我们以产生脉宽调制（PWM）信号为例。要在没有专用外设的情况下产生PWM，只需将I/O线设为高电平，等待一定数量的周期后，将其设为低电平，再等待一段时间，然后重复操作。这会占用大量CPU周期，并且对于某些功能（如RTOS）来说，难以可靠地执行。相比之下，PWM外设允许CPU在执行其他任务的同时设置所需的波形参数。

本文中介绍的第一个示例说明了减轻CPU密集型任务负荷的优势。在该案例中，使用了一个8位MCU来创建I/O扩展器。I/O扩展器并不复杂；然而，由于需要频繁处理中断，因此它们会占用大量的CPU时间。通过使用专用MCU来完成这项任务，大型32位器件可以减少I/O使用和需要处理的中断次数。此外，I/O扩展器的功能集可在软件中设置，因此支持针对应用进行定制和调整。 

本文中的第二个示例以创建独立于CPU运行的电压频率（V/F）转换器为例，展示了独立于内核的外设的性能。在这个示例中，CPU的唯一功能是初始化外设并将调试打印消息发送到UART。在大型系统中，当V/F在后台运行时，CPU可以执行另一个简单的任务。

I/O扩展器

使用8位MCU创建I/O扩展器的最大好处是提高灵活性。I/O扩展器ASIC的功能集已嵌入到器件中，而MCU可基于其执行的软件定义其行为。这种灵活性使基于MCU的版本能够满足最终应用的需求。

实现高级I/O扩展器

在器件内部，高级I/O扩展器在基于查找表的结构上运行。在读取或写入之前，会发送一个虚拟地址。该地址与单片机上的寄存器无关——仅特定于查找表。这意味着，可以透明地添加不在单片机硬件寄存器中的功能。此外，还可以针对特定用途，轻松地重新排列表格中的条目。这种结构的另一个优势是，能够向查找表添加权限。例如，要创建一个只读寄存器，只需省略查找表的写条目即可。

高级I/O扩展器的查找表

这种较为复杂的结构也适用于非标准功能。“MEM OP”功能允许MCU将其当前的通用输入和输出（GPIO）配置保存或加载到存储器中。

器件中的存储器存储

MEM OP也可以将GPIO配置重置为编译时设置的参数。

注：并非所有字段均可用于所有操作

MEM OP的功能

此外，也可以选择将单片机设置为在上电时加载保存的设置。如果已使能，单片机会尝试加载配置0中的设置。如果配置执行校验和验证失败，则MCU将恢复为编译时常数。如果不需要，可以在软件中禁用此功能。

该解决方案的要点

基于MCU的解决方案的优势在于出色的灵活性。与市场上的ASIC不同，我们可以为MCU配置特定于应用场景的非标准功能。此应用程序针对通用PIC16F15244系列MCU开发。

如需深入了解该实现或想要试用该示例，请参见源资源库中的README文件。此外，还提供带有Arduino的高级I/O扩展器的演示。

电压频率（V/F）转换器

通过降低物料清单（BOM）成本，进而减小设计面积，电压频率转换器可改进传统的模拟解决方案。市场上的许多V/F转换器需要配备外部电阻和电容才能运行，而单片机只需使用通用去耦和上拉组件（所有MCU的必备组件）即可运行。

TC9400/TC9401/TC9402 10 Hz至100 kHz V/F转换器的应用原理图

MCU不使用模拟技术进行数字化，而是使用独立于内核的外设和功能的组合。MCU使用内部带计算功能的模数转换器（ADCC）测量输入信号，然后对时钟信号进行分频，以创建可变频率输出。在该示例中，外设已设置为在初始化后独立于CPU运行。这意味着，CPU可以用于最终应用中的其他任务。

对于基于MCU的方案，其挑战在于性能不如模拟解决方案。输出的分辨率本身受到ADCC的限制。表面上看，ADCC为12位，但它会以配置为过采样的14位分辨率运行，具体取决于程序的配置方式。同样，用于合成输出频率的片内数控振荡器（NCO）具有有限的分辨率，并且其输出中可能存在抖动，具体取决于ADC测得的值。

基于MCU的解决方案可以分为三个不同的外设模块——模拟采样模块、输出振荡器模块和占空比发生器。

解决方案框图

模拟采样模块

模拟采样模块实现

模拟采样模块负责执行模数转换。为了在器件的频率限制下实现100 kHz的输出，已将ADCC配置为过采样，然后通过平均值处理获得14位结果。

这种过采样配置有一个缺点，即向结果中增加额外的统计噪声，可采取计算过采样的平均值并增加滞后的方法来补偿噪声。要实现滞后，可使用ADCC的阈值中断功能。（为简单起见，将仅介绍有关此示例如何使用阈值中断功能的细节。）

在ADCC完成过采样的平均值计算后，将得出的值与外设中的设定值寄存器进行比较。如果两者之差大于或小于设定阈值，则触发中断。CPU可屏蔽此中断且不受影响，然而，此中断会触发直接存储器访问（DMA），将经过平均值处理的过采样结果复制到ADCC的设定值寄存器，从而产生滞后。如果未超过阈值，则不会发生DMA复制，从而不会触发输出振荡器模块的DMA更新。

输出振荡器模块

输出振荡器模块的结构

该解决方案的输出振荡器模块负责以所需输出频率产生时钟信号。该输出信号在内部连接到占空比发生器，该元件将输出频率减半，但会产生50%的占空比输出。因此，输出振荡器模块以输出频率的两倍运行。

输出振荡器模块的核心是数控振荡器（NCO）。NCO外设的工作原理是在输入时钟的上升沿向累加器添加增量值，然后根据累加器溢出导出外设的输出。（有关NCO的完整说明，请参见数据手册。）

在该示例中，已将NCO2设置为在内部创建所需的输入时钟频率，以通过14位输入获得100 kHz输出。之所以使用14位结果，是因为ADCC本身的12位结果不足以在没有外部时钟源的情况下产生100 kHz输出。

100 kHz V/F转换器的理想输出（看门狗已关闭）。

如果改变NCO2的输出频率或使用备用源，则输出频率将调整为不同的输出范围。例如，如果NCO2的频率降低到1.28 MHz，则输出最大为10 kHz。 

10 kHz V/F转换器的理想输出（看门狗已关闭）。

占空比发生器

占空比发生器框图

该解决方案的占空比发生器模块负责创建50%的占空比输出。这是一个可选功能——可以直接使用NCO的输出，但这样做会增加占空比的变化幅度。

该生成器使用一个可配置逻辑单元（CLC）实现。CLC是可配置逻辑的小型模块，类似于现场可编程门阵列（FPGA）的一个单元。CLC可用作离散逻辑门（例如AND-OR或OR-XOR），也可以配置为锁存器或触发器。在该解决方案中，CLC实现为带复位功能的J-K触发器。J和K保持在逻辑高电平。输出振荡器模块用作触发器的时钟。每个输入时钟脉冲均会导致输出翻转，从而产生50%的占空比。注意：输出振荡器模块的频率抖动将对占空比产生影响。

Timer 6用作不稳定的“看门狗”定时器。如果输出没有产生边沿（上升沿或下降沿），则定时器将溢出，并将产生的时钟脉冲发送到CLC，这可以控制输出频率范围的下限。输出翻转到定时器频率的一半（输出为6 Hz），而不是达到直流。

该解决方案的要点

该示例表明，要使用硬件外设创建独立于内核的功能，通常必须使用外部集成电路。这种配置的一个最大优势在于，外设操作可在软件中设置，这样便可轻松地根据最终应用调整示例。由于使用了大量外设，因此选择PIC18-Q43系列MCU来实现该示例。 

有关该示例的更多信息，请参见示例资源库中的README文档。此外，示例资源库还包含频率电压转换器的实现，可与电压频率转换器在同一个器件上实现。

总结

尽管高性能单片机和微处理器都有一席之地，但在执行小型专门任务时，8位和16位MCU的作用不容小觑。这类任务并不一定十分复杂，但可能十分耗时，或者是时间关键型任务。任务负荷减轻后，32位器件可拥有更简单的实现，从而提高可靠性、减少存储器占用率并降低功耗。