如今，運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的大型32位單片機(jī)（MCU）和微處理器（MPU）日益普及。不過(guò)，如果使用一個(gè)大型單片機(jī)處理復(fù)雜的應(yīng)用，可能會(huì)在執(zhí)行小型后臺(tái)處理任務(wù)時(shí)遇到CPU資源方面的問(wèn)題，這些任務(wù)雖然并不復(fù)雜，但十分耗時(shí)。8位和16位MCU等小型器件可用于減輕32位器件的工作負(fù)荷。

試想一下這樣一個(gè)示例：將一個(gè)32位MCU用于控制汽車的非安全功能，如娛樂(lè)系統(tǒng)、環(huán)境照明和空調(diào)。此32位器件必須對(duì)其資源進(jìn)行分配，以便處理與這些功能相關(guān)的所有任務(wù)。這樣的任務(wù)還包括測(cè)量駕駛室內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的溫度、打開(kāi)/關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)、更新圖形顯示、處理用戶輸入、調(diào)整照明條件和播放音樂(lè)。即使對(duì)于大型32位器件，這些工作量也過(guò)于繁重。

但是，如果32位器件將部分任務(wù)負(fù)荷轉(zhuǎn)移給幾乎不需要監(jiān)控的子處理器，每個(gè)子處理器僅負(fù)責(zé)處理其中的1或2個(gè)任務(wù)，那么這些任務(wù)會(huì)更易于管理。這可以釋放主處理器上的CPU資源，從而降低軟件的復(fù)雜性，同時(shí)提高性能并縮短執(zhí)行時(shí)間。

這種解決方案與單片機(jī)中的外設(shè)有異曲同工之妙。外設(shè)是專用硬件的小型模塊，可以添加新功能（例如運(yùn)算放大器或模數(shù)轉(zhuǎn)換器），也可以減少執(zhí)行給定功能時(shí)CPU必須承擔(dān)的工作量。在某些情況下，初始化后，外設(shè)可獨(dú)立于CPU運(yùn)行。

為了說(shuō)明外設(shè)的優(yōu)勢(shì)，我們以產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)為例。要在沒(méi)有專用外設(shè)的情況下產(chǎn)生PWM，只需將I/O線設(shè)為高電平，等待一定數(shù)量的周期后，將其設(shè)為低電平，再等待一段時(shí)間，然后重復(fù)操作。這會(huì)占用大量CPU周期，并且對(duì)于某些功能（如RTOS）來(lái)說(shuō)，難以可靠地執(zhí)行。相比之下，PWM外設(shè)允許CPU在執(zhí)行其他任務(wù)的同時(shí)設(shè)置所需的波形參數(shù)。

本文中介紹的第一個(gè)示例說(shuō)明了減輕CPU密集型任務(wù)負(fù)荷的優(yōu)勢(shì)。在該案例中，使用了一個(gè)8位MCU來(lái)創(chuàng)建I/O擴(kuò)展器。I/O擴(kuò)展器并不復(fù)雜；然而，由于需要頻繁處理中斷，因此它們會(huì)占用大量的CPU時(shí)間。通過(guò)使用專用MCU來(lái)完成這項(xiàng)任務(wù)，大型32位器件可以減少I/O使用和需要處理的中斷次數(shù)。此外，I/O擴(kuò)展器的功能集可在軟件中設(shè)置，因此支持針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行定制和調(diào)整。

本文中的第二個(gè)示例以創(chuàng)建獨(dú)立于CPU運(yùn)行的電壓頻率（V/F）轉(zhuǎn)換器為例，展示了獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)的性能。在這個(gè)示例中，CPU的唯一功能是初始化外設(shè)并將調(diào)試打印消息發(fā)送到UART。在大型系統(tǒng)中，當(dāng)V/F在后臺(tái)運(yùn)行時(shí)，CPU可以執(zhí)行另一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

I/O擴(kuò)展器

使用8位MCU創(chuàng)建I/O擴(kuò)展器的最大好處是提高靈活性。I/O擴(kuò)展器ASIC的功能集已嵌入到器件中，而MCU可基于其執(zhí)行的軟件定義其行為。這種靈活性使基于MCU的版本能夠滿足最終應(yīng)用的需求。

實(shí)現(xiàn)高級(jí)I/O擴(kuò)展器

在器件內(nèi)部，高級(jí)I/O擴(kuò)展器在基于查找表的結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。在讀取或?qū)懭胫?，?huì)發(fā)送一個(gè)虛擬地址。該地址與單片機(jī)上的寄存器無(wú)關(guān)——僅特定于查找表。這意味著，可以透明地添加不在單片機(jī)硬件寄存器中的功能。此外，還可以針對(duì)特定用途，輕松地重新排列表格中的條目。這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，能夠向查找表添加權(quán)限。例如，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)只讀寄存器，只需省略查找表的寫條目即可。

這種較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也適用于非標(biāo)準(zhǔn)功能。“MEM OP”功能允許MCU將其當(dāng)前的通用輸入和輸出（GPIO）配置保存或加載到存儲(chǔ)器中。

器件中的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)

MEM OP也可以將GPIO配置重置為編譯時(shí)設(shè)置的參數(shù)。

注：并非所有字段均可用于所有操作

MEM OP的功能

此外，也可以選擇將單片機(jī)設(shè)置為在上電時(shí)加載保存的設(shè)置。如果已使能，單片機(jī)會(huì)嘗試加載配置0中的設(shè)置。如果配置執(zhí)行校驗(yàn)和驗(yàn)證失敗，則MCU將恢復(fù)為編譯時(shí)常數(shù)。如果不需要，可以在軟件中禁用此功能。

該解決方案的要點(diǎn)

基于MCU的解決方案的優(yōu)勢(shì)在于出色的靈活性。與市場(chǎng)上的ASIC不同，我們可以為MCU配置特定于應(yīng)用場(chǎng)景的非標(biāo)準(zhǔn)功能。此應(yīng)用程序針對(duì)通用PIC16F15244系列MCU開(kāi)發(fā)。

如需深入了解該實(shí)現(xiàn)或想要試用該示例，請(qǐng)參見(jiàn)源資源庫(kù)中的README文件。此外，還提供帶有Arduino的高級(jí)I/O擴(kuò)展器的演示。