從8/16位向32位圖形MCU升級(jí)的各種技巧

就在我的有關(guān)如何對(duì)16位PIC24微控制器進(jìn)行編程一書剛剛出版不久，我聽說Microchip公司一款新的32位PIC32微控制器已經(jīng)出爐。該產(chǎn)品使用的是MIPS內(nèi)核，同時(shí)還聲稱與16位的引腳以及PIC24系列產(chǎn)品外圍兼容。對(duì)我來說這簡(jiǎn)直是太重要了！我立即起身去要到一個(gè)樣片并刷新基于GNU的MPLAB C32 C編譯器的beta拷貝。

我只是必須看一下這款新產(chǎn)品像什么。它仍然像是PIC MCU？它能不能在同樣的演示版上工作？畢竟，我已經(jīng)用C語言為PIC24寫完了15章頗有價(jià)值的16位代碼和例程。長(zhǎng)話短說，在隨后的不到一個(gè)月的時(shí)間里，我不僅完成了代碼移植，而且已經(jīng)開始利用所掌握的PIC32的經(jīng)驗(yàn)書寫一本新書了！

下面就是對(duì)一個(gè)月里所發(fā)生的事情的簡(jiǎn)要敘述。我喜歡從我遵守最好的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則并從閱讀數(shù)據(jù)頁開始講述，如果說我從頭到尾全面閱讀了數(shù)據(jù)頁，那是撒謊！實(shí)際上我所做的與你做的完全一樣。打開裝有以前PIC24項(xiàng)目的MPLAB集成開發(fā)環(huán)境，點(diǎn)擊F10鍵立即創(chuàng)建。

二進(jìn)制數(shù)字

一長(zhǎng)串的錯(cuò)誤列表出現(xiàn)在輸出窗口中。令我驚奇的是，所報(bào)道的所有錯(cuò)誤都明顯地只與我的二進(jìn)制注釋(0b00000000)，即C語言的一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展有關(guān)。我試圖編譯我關(guān)于16位控制器一書前三章中的第一個(gè)代碼例程。這是一段非常簡(jiǎn)單的代碼，用C來說明I/O，精確定時(shí)以及流控制(用于循環(huán))命令。我立刻決定將所有二進(jìn)制文字轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)十六進(jìn)制的注釋(0x00)并觀看結(jié)果，瞧！編譯器和鏈接器馬上解析出代碼沒有任何錯(cuò)誤。

感覺很幸運(yùn)，我決定繼續(xù)“前進(jìn)”，并在一些實(shí)際的硬件——即Explorer 16演示板上運(yùn)行代碼。我獲取了一個(gè)PIC32插件式模塊(PIM)，并取代我的16位器件一書中普遍所用的PIC24 PIM。加電后我抱著非常懷疑的態(tài)度觀察了幾秒鐘，竟然沒有“冒煙”！然后我取了一塊MPLAB Real ICE調(diào)試器和編程器連接到板子上。MPLAB IDE竟然很快識(shí)別出該工具并報(bào)告已發(fā)現(xiàn)PIC32連接到板子上。

在快速和自動(dòng)的固件升級(jí)后，我便立即按下編程鍵，隨后便是運(yùn)行命令….但卻不工作！

我意識(shí)到板子上明顯有什么問題，但一點(diǎn)也不像我所期望的那樣。這里需要解釋一下。在我的16位器件一書的前三章中，我利用C語言向讀者提供了如何生成“Hello World”這類例子。其中，我講到傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法是，向終端發(fā)送一個(gè)字符串，但這在嵌入式控制應(yīng)用中是不現(xiàn)實(shí)或者不合適的。而是采用一個(gè)“有趣的”方案，即制作一排8個(gè)LED，當(dāng)把板子拿在手上并揮動(dòng)時(shí)，燈將有節(jié)奏地閃爍。它將顯示出有用的信息，這要?dú)w功于眼睛的自然成像持久性。實(shí)際上對(duì)此進(jìn)行編碼要比描述更容易。

不同時(shí)鐘

事實(shí)上是，PIC32得到的I/O引腳和定時(shí)全部都是錯(cuò)誤的。

對(duì)于這一點(diǎn)，通常我只需要噼里啪啦地翻開數(shù)據(jù)頁并按我自己的工作方式來查找問題的根源。出現(xiàn)的問題是，PIC32時(shí)鐘產(chǎn)生模塊比16位器件一書中所用的PIC24F要更加復(fù)雜一些。實(shí)際上，PIC32模塊更像16位MCU系列中最新的PIC24F上的振蕩器模塊。同樣，在PIC32結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)外設(shè)模塊被連接到工作頻率不同的彼此分離的外設(shè)總線上，這些頻率低于系統(tǒng)時(shí)鐘，這有助于功率管理，當(dāng)然也有助于解決EMI問題。

我耐心找出如何使外設(shè)總線工作在與同一項(xiàng)目(16MHz外設(shè)總線)中PIC24F所用相同的頻率。我還找出了可以執(zhí)行的相同指令數(shù)，而執(zhí)行頻率僅為PIC24F所要求系統(tǒng)頻率的一半，這是因?yàn)镻IC32內(nèi)核每個(gè)時(shí)鐘周期上可以執(zhí)行一個(gè)指令。

JTAG默認(rèn)值設(shè)置為on

在解決了時(shí)鐘問題之后，我快速地瀏覽了一下時(shí)鐘模塊。有5個(gè)時(shí)鐘模塊。看上去絕對(duì)與PIC24F完全一樣，進(jìn)一步回溯PIC MCU的歷史，一直回溯到PIC16C74(大約1994)都是兼容的。我繼續(xù)驗(yàn)證I/O端口：同樣的結(jié)構(gòu)，同樣的引腳數(shù)，同樣反映“歷史”的寄存器名稱，發(fā)現(xiàn)一個(gè)兼容型的軌跡也許可以一直延伸到最初的PIC16C54(大約1991年)。

最后我對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行了一次快速檢查，對(duì)于絕大多數(shù)PIC MCU初學(xué)者來說這是一個(gè)最難理解的外設(shè)。其輸入連接到I/O口的上端(絕大多數(shù)16位PIC器件的PORTB)，并且先加電，故除非你的配置正確，否則它不會(huì)使你的數(shù)字輸入工作。顯然它與PIC24兼容，因此我仍然無法解釋LED行為異常的原因。

更靠近看，我發(fā)現(xiàn)有4個(gè)LED，要么從來不亮，要么就恒亮。于是，我又再一次翻開數(shù)據(jù)頁來檢查引腳圖，最后終于發(fā)現(xiàn)了“元兇”：JTAG端口。

四線(E)JTAG接口被稱為在線串行編程接口，是一個(gè)非正式的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它不僅允許邊界掃描，而且還支持器件完全編程和調(diào)試控制。當(dāng)然，這在引腳數(shù)很多的32位芯片中是所期望的，PIC32在加電時(shí)通過默認(rèn)的方式將這兩個(gè)接口都激活了。如果為了利用一些PORTA I/O而不需要這些JTAG接口，則依賴應(yīng)用程序來將其關(guān)閉。

自從我注意了JTAG接口后，我的第一個(gè)PIC32項(xiàng)目開始按期望工作，并發(fā)送出它的首個(gè)“Hello”，如圖1所示。

圖1：用PIC32產(chǎn)生字符串。

至此所學(xué)到的簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)(振蕩器配置和JTAG接口)迅速地證明了它們與我16位器件一書中前面各章節(jié)中絕大多數(shù)項(xiàng)目兼容性的關(guān)鍵，在隨后幾天的開發(fā)中移植都比較順利。我利用UART與PC通信，用SPI接口與串行EEPROM通信，而利用Parallel Master Port與LCD模塊通信。我利用A/D先讀取電位器，然后讀取溫度傳感器，演示了PIC32如何與模擬應(yīng)用接口。除了模塊的一些擴(kuò)展功能以外，所有這些模塊的工作都與我所預(yù)期的完全一致。我發(fā)現(xiàn)我的16位代碼完全可以照用，幾乎不需要任何的改變。

測(cè)量性能

在早期的一些日子里，我的好奇心促使我想知道PIC32究竟帶來什么好性能。在我的16位器件一書的第四章中，即“Numb3rs”，我對(duì)執(zhí)行基本的算術(shù)運(yùn)算所需的指令周期數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并將它們與各類整數(shù)和浮點(diǎn)類型進(jìn)行了比較。這在時(shí)鐘周期與所執(zhí)行的指令密切相關(guān)的場(chǎng)合，如PIC24和dsPIC DSC內(nèi)核中那樣，這種方法是合理的。但在PIC32內(nèi)核中，由于采用了MIPS的傳統(tǒng)，為“比賽”增加了“難度”。每個(gè)時(shí)鐘周期所執(zhí)行的指令是可變的，因?yàn)楫?dāng)執(zhí)行代碼快于閃存額定速度(每30MHz只插入一個(gè)時(shí)鐘周期)時(shí)可以插入等待狀態(tài)，或者可以無關(guān)，這要?dú)w功于預(yù)取狀態(tài)機(jī)(能夠一次預(yù)取四條指令)。最后，激活一個(gè)高速緩存，進(jìn)一步改進(jìn)了高速性能。

PIC32的高速緩存使得周期數(shù)有點(diǎn)不可預(yù)測(cè)，也許變得沒有意義。我好像覺得我從貨物推車一下子升級(jí)到了一級(jí)方程式賽車一樣！于是，我決定需要在32位器件一書中增加一章關(guān)于PIC32的性能調(diào)整內(nèi)容。為了給PIC32加上重載荷，我找到我在大學(xué)讀書時(shí)學(xué)習(xí)基本數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)老代碼程序：即快速付里葉變換。我采用的是標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)結(jié)構(gòu)，沒有手工和編譯器優(yōu)化。另外還用了一個(gè)32位定時(shí)器，讓PIC32自己計(jì)時(shí)，隨后我逐步地開始選用一些新的程序選項(xiàng)。

開始時(shí)，我激活指令預(yù)取，然后我找到高速緩存，再隨后我通過人工方式調(diào)整等待狀態(tài)。一開始性能改善極大，并且隨著之后對(duì)配置進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)調(diào)，性能改善更多。最終，我意識(shí)到最佳的配置必須隨應(yīng)用定制，但必須由標(biāo)準(zhǔn)器件庫中的SYSTEMConfigPerformance()提供一個(gè)好的起點(diǎn)。

學(xué)習(xí)外設(shè)庫

這是我第一次使用“標(biāo)準(zhǔn)”外設(shè)庫，也是這種愛/恨關(guān)系的開始。由于我在非常小型的8位器件上使用匯編進(jìn)行代碼開發(fā)已經(jīng)許多年了，且通常都是需要采用手工優(yōu)化客戶代碼，我基本上都是自己親自工作，最終我開發(fā)出了一些自己的器件庫。

這一次，在投放PIC32產(chǎn)品之前一年多的時(shí)間，我不僅移植了16位器件的庫，還對(duì)它們進(jìn)行了擴(kuò)展來支持一系列新功能。我沒有更多的理由-唯一理由就是我自己必須掌握并學(xué)會(huì)如何使用它們。參見用于一個(gè)使用該外設(shè)庫的程序代碼段的Listings1和2，見圖2。

圖2：代碼移植時(shí)用于一個(gè)使用該外設(shè)庫的程序代碼段的Listings1和2。

通過利用這個(gè)新庫，16位和32位應(yīng)用之間的代碼兼容“絕對(duì)”沒有問題。即便是外設(shè)寄存器上的極小差別也可以通過應(yīng)用代碼完全消除。實(shí)際上，這使得一個(gè)應(yīng)用在16位器件和32位器件上都可以運(yùn)行，從而開發(fā)人員面向兩種架構(gòu)，卻維護(hù)統(tǒng)一的代碼基。

不過，雖然在器件數(shù)據(jù)頁中對(duì)硬件控制寄存器名稱已有注明(甚至每一位都很詳細(xì))，但卻沒有所有的功能/宏名及其參數(shù)。很多時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)必須將單個(gè)的包含文件與器件數(shù)據(jù)頁進(jìn)行比較，嘗試著去猜測(cè)究竟有哪些控制位與一個(gè)特定的庫參數(shù)相關(guān)。當(dāng)利用最簡(jiǎn)單的庫(比如I/O端口操作)時(shí)，這是一件特別麻煩的事情，對(duì)我來說，在這里，庫抽象層的優(yōu)點(diǎn)更值得質(zhì)疑。

最終，我發(fā)現(xiàn)可以采取一個(gè)平衡折中。即可以采用傳統(tǒng)的方法訪問絕大部分的基本外設(shè)(例如I/O端口和計(jì)時(shí)器)，而在使用更復(fù)雜/新外設(shè)時(shí)才使用庫。于是，我迅速通過了有關(guān)代碼的幾個(gè)章節(jié)，實(shí)際上什么都沒有改。這些章節(jié)包括：SD/MMC接口，F(xiàn)AT16文件I/O甚至包括WAV音樂文件重放。

當(dāng)我決定再深入地研究中斷時(shí)，以及后來開始使用PIC32的新DMA模塊時(shí)，這些庫的好處就變得很明顯了。

中斷和決策

PIC32提供兩種中斷選擇：一種是非常類似于PIC16/18 8位架構(gòu)操作方式的單矢量模式(順便指出，與RTOS也更加友好)，另一種是更類似于16位PIC24 MCU和dsPIC DSC工作模式的多矢量模式。利用interrupt.h庫來設(shè)置參數(shù)是輕而易舉的事情。

是我開始嘗試移植第12章中代碼的時(shí)候了：“黑屏”確實(shí)是一件有趣的事情。用PIC24，我能夠演示SPI端口是如何的簡(jiǎn)單，只需要三只電阻器，幾個(gè)中斷，以及一些創(chuàng)新就可以產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合視頻信號(hào)，特別是可以將任意的電視機(jī)轉(zhuǎn)換成單色顯示器。要產(chǎn)生一個(gè)視頻信號(hào)，需要中斷代碼與外設(shè)之間的精密協(xié)調(diào)。實(shí)際上，因?yàn)榧幢闶窃谳敵龆〞r(shí)上只差一個(gè)時(shí)鐘周期，在顯示器屏幕的左側(cè)就會(huì)產(chǎn)生可見的抖動(dòng)(所有的豎直線都變得像鋸齒一樣)，故訓(xùn)練結(jié)果將是用于中斷“決策”的一個(gè)理想放大鏡，這是PIC架構(gòu)傳統(tǒng)上一直出眾的特性。然而不幸的是，根據(jù)定義，指令預(yù)取和存儲(chǔ)器緩存機(jī)制都是非確定的。

經(jīng)過一段苦思冥想，我最終明白了。我在試圖做不應(yīng)該做的事情！32位內(nèi)核是為了提高性能而設(shè)計(jì)的。其使命是C代碼的運(yùn)行盡可能地快，而把實(shí)時(shí)嚴(yán)格的工作留給外設(shè)。特別是，DMA外設(shè)是一個(gè)非常好的工具。

最終，我想出了如何利用定時(shí)器直接產(chǎn)生復(fù)合視頻信號(hào)，并將DMA數(shù)據(jù)傳輸同步到SPI端口的方法。這種新方案提供了確定性的定時(shí)，而且還將CPU的開銷減少了大約25%到5%。幾個(gè)小時(shí)工作后，我完成了2D和3D視頻演示并運(yùn)行，還加上了動(dòng)畫，從高清顯示一直到單顯VGA(實(shí)例見圖3和圖4)。

圖3：用PIC32所產(chǎn)生的3D圖形。

圖4：用PIC32所產(chǎn)生的不規(guī)則幾何圖形。

開發(fā)PIC32很快變成一件令人上癮的事情，結(jié)果是很好的回報(bào)，那就是讓我完成了一本有關(guān)32位器件新書的寫作之旅！PIC32與早先的16-bit PIC24微控制器的兼容性是那樣的無縫。這款新的MIPS內(nèi)核的速度和性能給我留下了深刻的印象，大大擴(kuò)展了任何先前的PIC MCU都無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用范圍。

表1：PIC24F AD1CON寄存器的并排比較。