怎么样把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。

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。