S12XD系列中XGATE協(xié)處理器的原理及應(yīng)用

主要介紹美國(guó)Freescale公司開發(fā)的功能強(qiáng)大的S12XD系列雙核微處理器，比其前代產(chǎn)品S12D系列增加了XGATE核。XGATE具有處理數(shù)據(jù)速度快、反應(yīng)時(shí)間短、功耗低等一系列特點(diǎn)，因此在汽車電子領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞? MC9S12XD系列? XGATE協(xié)處理器? 脈沖寬度調(diào)制? 串行通信? 排隊(duì)管理

1? 概述

　　美國(guó)Freescale公司在推出S12D系列16位單片機(jī)后，再次推出了功能更強(qiáng)大的S12XD系列16位單片機(jī)。其中，包括MC9S12XD64、MC9S12XDP512、MC3S12XDT256、MC3S12XDG128等。

　　在處理多任務(wù)技術(shù)方面，S12XD系列相對(duì)16位的S12D系列更具優(yōu)勢(shì)，其表現(xiàn)像32位機(jī)一樣。S12XD系列仍然保持著原來(lái)頗受歡迎的16位S12D系列MCU的低價(jià)格、低功耗、卓越的EMC和有效編碼長(zhǎng)度的優(yōu)勢(shì)。

　　S12XD系列的主要特點(diǎn)是增加了XGATE協(xié)處理器。具體來(lái)講,XGATE其實(shí)就是一個(gè)可用C語(yǔ)言編程的，擁有最優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸、邏輯以及位操作指令的指令系統(tǒng)。由于在外部模塊、RAM和I/O口之間提供了一個(gè)高速數(shù)據(jù)傳輸通道，其工作頻率可達(dá)到S12D系列的CPU下載總線頻率的2倍。在CPU進(jìn)行多總線加載數(shù)據(jù)傳輸時(shí)執(zhí)行一個(gè)中斷處理加載的情況下，XGATE就會(huì)表現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。

2? XGATE的總體功能及主要特性

2.1? XGATE的總體功能

　　當(dāng)前對(duì)許多嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)挑戰(zhàn)是在非常短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)同時(shí)執(zhí)行一系列的重要任務(wù)。直接存儲(chǔ)器存取模塊(DMA)提供的解決方案是，通過(guò)硬件控制使數(shù)據(jù)利用中斷源來(lái)自動(dòng)地讀或?qū)憽５牵@種方案中在等候下個(gè)中斷到來(lái)之前通常DMA只執(zhí)行讀或?qū)懼噶睿涔δ芫蜁?huì)被限制。在嵌入式系統(tǒng)中，這樣的中斷事件經(jīng)常會(huì)介入其他的邏輯處理。譬如在把數(shù)據(jù)移動(dòng)到最終目的地之前，要介入確認(rèn)信號(hào)或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行修正的處理。因而，一個(gè)以DMA支持的中斷經(jīng)常只能做一部分工作，CPU 會(huì)被預(yù)留出一部分來(lái)通過(guò)中斷主程序來(lái)完成這些任務(wù)。這樣，中斷處理就使CPU 在其他功能的表現(xiàn)方面減弱了。另外，還要有精確的時(shí)間要求來(lái)保證在系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)來(lái)處理復(fù)雜的應(yīng)用程序。

　　XGATE就是為了提高應(yīng)用反應(yīng)速度和減少主CPU的中斷負(fù)荷而產(chǎn)生的，通過(guò)中斷程序的執(zhí)行以達(dá)到與CPU同時(shí)運(yùn)行的目的。那么XGATE可以用來(lái)做什么呢？XGATE被定位于快速中斷處理，可以減少CPU進(jìn)行中斷處理的負(fù)荷。

　　多數(shù)嵌入式應(yīng)用都要求許多中斷程序來(lái)處理簡(jiǎn)單的功能，處理器經(jīng)常以高速率執(zhí)行任務(wù)。通常這些是與接口功能相聯(lián)系的，如調(diào)速控制器控制反饋及系統(tǒng)與其他部分的通信。XGATE 就是用來(lái)幫助CPU處理這些事件的。

　　XGATE的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是它的設(shè)置雖然非常簡(jiǎn)單，但卻允許開發(fā)復(fù)雜程序。XGATE優(yōu)于一個(gè)智能的DMA控制器，因?yàn)樗峁┮粋€(gè)復(fù)雜I/O處理的能力。當(dāng)XGATE與CPU12X核一起使用時(shí)，有一些限制需要考慮，但是不會(huì)對(duì)XGATE所設(shè)計(jì)的功能產(chǎn)生影響。

　　XGATE為應(yīng)用提供了更高級(jí)別的中斷，通過(guò)分擔(dān)一些服務(wù)程序來(lái)縮短CPU的工作時(shí)間和進(jìn)程。

2.2? XGATE的主要特性

◆ XGATE是一個(gè)協(xié)處理器，它可以像主CPU一樣進(jìn)入并且控制外圍設(shè)備；
◆ 從中斷出來(lái)后的反應(yīng)時(shí)間短；
◆ 在進(jìn)入同一個(gè)存儲(chǔ)空間前，XGATE要等待主CPU釋放這一空間的所有存儲(chǔ)器；
◆ 當(dāng)用于較短程序時(shí)，XGATE可以提供最好的應(yīng)用方式；
◆ XGATE只在運(yùn)行時(shí)消耗電源；
◆ XGATE可以實(shí)現(xiàn)完成多數(shù)通常在主CPU上的功能或者程序，與以前的S12D CPU比較，具有更為強(qiáng)大的處理數(shù)據(jù)能力。

　　XGATE很靈活，使用者可以通過(guò)這個(gè)低功耗的雙核處理器為開發(fā)創(chuàng)造新的環(huán)境。

2.3? XGATE與主CPU的關(guān)系

　　中斷控制器硬件產(chǎn)生的中斷可以選擇由XGATE或者S12XD CPU來(lái)處理。XGATE處理的任何中斷都會(huì)減輕主CPU的中斷負(fù)荷，并且XGATE完全有能力來(lái)處理整個(gè)中斷。

　　從圖1中可以看到，一個(gè)開關(guān)中斷信號(hào)可以指向XGATE或者CPU。如果指向XGATE，它就會(huì)執(zhí)行所要求的程序；當(dāng)程序完成后，等候下個(gè)請(qǐng)求。還能看到有的寄存器可以使XGATE指向一個(gè)特殊的中斷，并且中斷優(yōu)先權(quán)的等級(jí)被設(shè)置到7個(gè)級(jí)別當(dāng)中的一個(gè)。如果有2個(gè)中斷請(qǐng)求同時(shí)產(chǎn)生，則處理器就會(huì)根據(jù)中斷級(jí)別的高低來(lái)判斷，最高最重要的中斷首先執(zhí)行。這些中斷等級(jí)在S12XD CPU和XGATE中是相同的。

圖1? 用CPU或者XGATE的中斷路徑

　　XGATE和CPU完全一樣，是一個(gè)支持C編譯器的可編程的核。當(dāng)中斷源到來(lái)時(shí)，它開始運(yùn)行；在完成中斷的任務(wù)以后，它會(huì)停下來(lái)其所有時(shí)鐘等候下次事件，以此減少電源消耗。

　　XGATE是一個(gè)協(xié)處理器。它可以直接使用，幾乎可以直接進(jìn)入所有存儲(chǔ)空間。XGATE的創(chuàng)新特點(diǎn)就在于它以獨(dú)特的方式連接到MCU所自帶的RAM上。通過(guò)交換總線，MCU的內(nèi)部總線允許交叉進(jìn)入RAM區(qū)。當(dāng)主CPU全速執(zhí)行時(shí)，訪問(wèn)RAM只需一半時(shí)間，XGATE得以在另外半個(gè)時(shí)鐘總線周期進(jìn)入RAM。所以若主CPU不進(jìn)入RAM的周期內(nèi)，則XGATE訪問(wèn)RAM的速度就會(huì)是CPU最高速度的2倍。

3? XGATE應(yīng)用及其工作原理

3.1? 多通道PWM

　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）在很多I/O引腳上被MCU的物理硬件很嚴(yán)格地限制了，或者說(shuō)如果需要更多的PWM信號(hào)就必須使用軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)這些脈沖。當(dāng)需要一個(gè)在輸出上實(shí)現(xiàn)低功耗的過(guò)濾，或者引發(fā)中斷時(shí)，通常想要一個(gè)PWM短周期信號(hào)，它就會(huì)在主CPU上有很高的占用率。XGATE可以將CPU的占用狀態(tài)完全移除，并且可以通過(guò)一個(gè)單一的硬件定時(shí)器運(yùn)行產(chǎn)生多通道的PWM，這樣可以使MCU源的應(yīng)用更有效率。在很多的實(shí)際應(yīng)用中，相關(guān)的PWM信號(hào)產(chǎn)生就是利用了定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生所需要的PWM波形。

3.2??串行通信協(xié)議處理

　　XGATE的另外一個(gè)重要功能就是串行通信。這里會(huì)接收到含有比較標(biāo)示符的信息，然后數(shù)據(jù)會(huì)被送到存儲(chǔ)器中的一個(gè)適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，這些都是由匹配的標(biāo)識(shí)符和負(fù)載數(shù)據(jù)決定的。

3.3? CAN網(wǎng)關(guān)

　　CAN網(wǎng)關(guān)在工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的典型形式就是具有2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹GATE就可以幫助CPU來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)雙CAN網(wǎng)絡(luò)的功能。

　　XGATE可以通過(guò)查表提供100%軟件過(guò)濾。在每100 μs接收一幀信息（每幀信息包括8字節(jié)和29位標(biāo)識(shí)符）的情況下，對(duì)8位或者16位MCU來(lái)說(shuō)，這個(gè)雙CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制是非常重要的。XGATE可以降低CPU的加載率，CPU處理258字節(jié)編碼時(shí)就近似于零加載。對(duì)于一個(gè)6字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN信息， XGATE處理每幀編碼大約需要3 μs，最壞的情況下CPU加載率只有6%。

3.4? 積分編碼

　　很多電機(jī)控制應(yīng)用需要從位置和速度傳感器得到連續(xù)輸入的信號(hào)。對(duì)于體積小、速度快的電機(jī)，積分編碼可以提供位置反饋，并且可以產(chǎn)生每秒幾萬(wàn)個(gè)脈沖。如要保持CPU沒(méi)有加載，則由XGATE完成該任務(wù)，它可以處理兩個(gè)傳感器中的一個(gè)中斷事件，并提供方向和位置信息。第3個(gè)傳感器可以為轉(zhuǎn)動(dòng)參考點(diǎn)提供一個(gè)索引信號(hào)。每次讀2個(gè)傳感器輸入任務(wù)時(shí)會(huì)有一個(gè)中斷，并且根據(jù)后來(lái)輸入狀態(tài)執(zhí)行單一向前或者向后計(jì)算，用XGATE時(shí)只花很少的時(shí)間就可以完成這個(gè)任務(wù)(執(zhí)行程序所用時(shí)間少于0.5 μs)。這是一個(gè)理想的表現(xiàn)XGATE特性的例子。

3.5? 同步串行通信

　　對(duì)于一些串行通信，XGATE可以提供簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)功能。SPI(同步串行通信)在主機(jī)模式下操作是很容易完成的，時(shí)鐘和數(shù)據(jù)都可以由XGATE驅(qū)動(dòng)，并且只對(duì)一個(gè)定時(shí)器提供波特率信息。

　　XGATE也還可以設(shè)置SPI從機(jī)操作，典型的操作包括在MOSI口收集數(shù)據(jù)和在MISO口輸出數(shù)據(jù)，每次傳輸都會(huì)在SCLK上接收到時(shí)鐘信號(hào)。從機(jī)SPI執(zhí)行必須注意，由于錯(cuò)過(guò)半周期時(shí)鐘沿而產(chǎn)生錯(cuò)誤的讀操作會(huì)導(dǎo)致向SPI主機(jī)返回的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

3.6? 異步串行通信

　　與SPI一樣，XGATE可以通過(guò)直接對(duì)口進(jìn)行位操作或者通用異步收發(fā)報(bào)機(jī)來(lái)控制軟件SCI。這個(gè)與最初的同步通信功能相似，當(dāng)然，臨界位的時(shí)鐘邊沿是不一樣的。在異步串行通信中XGATE編碼是被嚴(yán)格限制的(波特率最大值通常是19 200 b/s)。在最大反應(yīng)時(shí)間情況下必須保持位波特率的20%和總體的2%，也就是每10.4 μs對(duì)每位采樣或設(shè)置一次。雖然位處理時(shí)間是允許變化的，但是在19 200 b/s的波特率下就不會(huì)在發(fā)送和接收正確的8位數(shù)據(jù)上產(chǎn)生沖突。

　　XGATE編碼發(fā)送SCI數(shù)據(jù)需要由一個(gè)比較定時(shí)器產(chǎn)生的2個(gè)定時(shí)值：一個(gè)是位周期；另一個(gè)是斷點(diǎn)檢測(cè)時(shí)間，通常為多個(gè)位周期時(shí)間。傳輸1位的程序非常短，只需要設(shè)置輸出狀態(tài)和改變位的指針。接收數(shù)據(jù)要求用位周期時(shí)間對(duì)中間通道進(jìn)行采樣，這樣就會(huì)和以前的中斷分開，就像進(jìn)入了另一個(gè)XGATE中斷，使中斷率加倍。此外，這個(gè)程序很短，在最壞的情況下中斷之間(發(fā)送/接收，波特率為19 200 b/s)的間隔是26 μs；在XGATE的時(shí)鐘程序的影響下（波特率為19 200 b/s），SCI數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送之前，允許程序用大約36 μs執(zhí)行(允許延時(shí)26+10.4 μs)。

　　這是一個(gè)當(dāng)XGATE程序加入后，如何滿足最大延時(shí)并允許其他程序執(zhí)行的很好的例子。

3.7? LIN協(xié)議處理

　　本地互連網(wǎng)（LIN）協(xié)議在汽車控制方面有廣泛應(yīng)用，其主要作用是作為CAN的展開，但是現(xiàn)在也開始在其他非汽車應(yīng)用領(lǐng)域中流行起來(lái)。

　　LIN和SCI外部設(shè)備一樣，都是按字節(jié)控制數(shù)據(jù)的。在LIN中，XGATE可以處理傳輸數(shù)據(jù)、緩沖器接收數(shù)據(jù)中斷和數(shù)據(jù)排隊(duì)的協(xié)議。

　　XGATE執(zhí)行213字節(jié)長(zhǎng)的協(xié)議程序，執(zhí)行時(shí)每字節(jié)只要0.9 μs。在雙字節(jié)加載數(shù)據(jù)時(shí)，80 Hz的頻率下處理雙字節(jié)LIN信息只用了XGATE執(zhí)行能力的0.66%。

3.8? 排隊(duì)管理

　　對(duì)外部設(shè)備的排隊(duì)管理可以使主CPU進(jìn)行有意義的加載。一些MCU體系結(jié)構(gòu)根據(jù)排隊(duì)選擇外部設(shè)備來(lái)減少在CPU上的加載。XGATE可以根據(jù)使用者的要求提供此項(xiàng)功能。結(jié)語(yǔ)S12XD系列16位微處理器是較高端的車載型單片機(jī)，應(yīng)用很廣泛。它的眾多優(yōu)勢(shì)中最大、最有特色的就是XGATE的加入。XGATE作為一個(gè)獨(dú)立于CPU的協(xié)處理器對(duì)于整個(gè)芯片的作用很大。在處理中斷方面XGATE可以實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)大的功能，可以大量降低主CPU的加載率，讓數(shù)據(jù)傳輸更順暢。在訪問(wèn)RAM方面XGATE也有其自己的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中必然會(huì)受到大家的重視。但是就現(xiàn)在而言，雙核技術(shù)還是屬于一項(xiàng)新技術(shù)，在很多方面的應(yīng)用還是需要大家共同探索的。