1 概 述
美國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16位的S12D系列更具優(yōu)勢，其表現(xiàn)像32位機(jī)一樣。S12XD系列仍然保持著原來頗受歡迎的16位S12D系列MCU的低價格、低功耗、卓越的EMC和有效編碼長度的優(yōu)勢。
S12XD系列的主要特點是增加了XGATE協(xié)處理器。具體來講，XGATE其實就是一個可用C語言編程的，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)傳輸時執(zhí)行一個中斷處理加載的情況下，XGATE就會表現(xiàn)出其優(yōu)勢。
2 XGATE的總體功能及主要特性
2.1 XGATE的總體功能
當(dāng)前對許多嵌入式系統(tǒng)的一個挑戰(zhàn)是在非常短的運行時間內(nèi)同時執(zhí)行一系列的重要任務(wù)。直接存儲器存取模塊(DMA)提供的解決方案是，通過硬件控制使數(shù)據(jù)利用中斷源來自動地讀或?qū)憽５?，這種方案中在等候下個中斷到來之前通常DMA只執(zhí)行讀或?qū)懼噶?，其功能就會被限制。在嵌入式系統(tǒng)中，這樣的中斷事件經(jīng)常會介入其他的邏輯處理。譬如在把數(shù)據(jù)移動到最終目的地之前，要介入確認(rèn)信號或?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行修正的處理。因而，一個以DMA支持的中斷經(jīng)常只能做一部分工作，CPU會被預(yù)留出一部分來通過中斷主程序來完成這些任務(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，還要有精確的時間要求來保證在系統(tǒng)正常運行的同時來處理復(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，通過中斷程序的執(zhí)行以達(dá)到與CPU同時運行的目的。那么XGATE可以用來做什么呢?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處理簡單的功能，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就是用來幫助CPU處理這些事件的。
XGATE的一個重要的特點就是它的設(shè)置雖然非常簡單，但卻允許開發(fā)復(fù)雜程序。XGATE優(yōu)于一個智能的DMA控制器，因為它提供一個復(fù)雜I／O處理的能力。當(dāng)XGATE與CPU12X核一起使用時，有一些限制需要考慮，但是不會對XGATE所設(shè)計的功能產(chǎn)生影響。
XGATE為應(yīng)用提供了更高級別的中斷，通過分擔(dān)一些服務(wù)程序來縮短CPU的工作時間和進(jìn)程。
2.2 XGATE的主要特性
◆XGATE是一個協(xié)處理器，它可以像主CPU一樣進(jìn)入并且控制外圍設(shè)備；
◆從中斷出來后的反應(yīng)時間短；
◆在進(jìn)入同一個存儲空間前，XGATE要等待主CPU釋放這一空間的所有存儲器；
◆當(dāng)用于較短程序時，XGATE可以提供最好的應(yīng)用方式；
◆XGATE只在運行時消耗電源；
◆XGATE可以實現(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，使用者可以通過這個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來處理。XGATE處理的任何中斷都會減輕主CPU的中斷負(fù)荷，并且XGATE完全有能力來處理整個中斷。
從圖1中可以看到，一個開關(guān)中斷信號可以指向XGATE或者CPU。如果指向XGATE，它就會執(zhí)行所要求的程序；當(dāng)程序完成后，等候下個請求。還能看到有的寄存器可以使XGATE指向一個特殊的中斷，并且中斷優(yōu)先權(quán)的等級被設(shè)置到7個級別當(dāng)中的一個。如果有2個中斷請求同時產(chǎn)生，則處理器就會根據(jù)中斷級別的高低來判斷，最高最重要的中斷首先執(zhí)行。這些中斷等級在S12XD CPU和XGATE中是相同的。
XGATE和CPU完全一樣，是一個支持C編譯器的可編程的核。當(dāng)中斷源到來時，它開始運行；在完成中斷的任務(wù)以后，它會停下來其所有時鐘等候下次事件，以此減少電源消耗。
XGATE是一個協(xié)處理器。它可以直接使用，幾乎可以直接進(jìn)入所有存儲空間。XGATE的創(chuàng)新特點就在于它以獨特的方式連接到MCU所自帶的RAM上。通過交換總線，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，訪問RAM只需一半時間，XGATE得以在另外半個時鐘總線周期進(jìn)入RAM。所以若主CPU不進(jìn)入RAM的周期內(nèi)，則XGATE訪問RAM的速度就會是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，或者說如果需要更多的PWM信號就必須使用軟件來驅(qū)動這些脈沖。當(dāng)需要一個在輸出上實現(xiàn)低功耗的過濾，或者引發(fā)中斷時，通常想要一個PWM短周期信號，它就會在主CPU上有很高的占用率。XGATE可以將CPU的占用狀態(tài)完全移除，并且可以通過一個單一的硬件定時器運行產(chǎn)生多通道的PWM，這樣可以使MCU源的應(yīng)用更有效率。在很多的實際應(yīng)用中，相關(guān)的PWM信號產(chǎn)生就是利用了定時器來產(chǎn)生所需要的PWM波形。
3.2 串行通信協(xié)議處理
XGATE的另外一個重要功能就是串行通信。這里會接收到含有比較標(biāo)示符的信息，然后數(shù)據(jù)會被送到存儲器中的一個適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，這些都是由匹配的標(biāo)識符和負(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CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。XGATE就可以幫助CPU來實現(xiàn)這個雙CAN網(wǎng)絡(luò)的功能。
XGATE可以通過查表提供100％軟件過濾。在每100μs接收一幀信息(每幀信息包括8字節(jié)和29位標(biāo)識符)的情況下，對8位或者16位MCU來說，這個雙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)編碼時就近似于零加載。對于一個6字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN信息，XGATE處理每幀編碼大約需要3μs，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。對于體積小、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)生每秒幾萬個脈沖。如要保持CPU沒有加載，則由XGATE完成該任務(wù)，它可以處理兩個傳感器中的一個中斷事件，并提供方向和位置信息。第3個傳感器可以為轉(zhuǎn)動參考點提供一個索引信號。每次讀2個傳感器輸入任務(wù)時會有一個中斷，并且根據(jù)后來輸入狀態(tài)執(zhí)行單一向前或者向后計算，用XGATE時只花很少的時間就可以完成這個任務(wù)(執(zhí)行程序所用時間少于0.5μs)。這是一個理想的表現(xiàn)XGATE特性的例子。
3.5 同步串行通信
對于一些串行通信，XGATE可以提供簡單的驅(qū)動功能。SPI(同步串行通信)在主機(jī)模式下操作是很容易完成的，時鐘和數(shù)據(jù)都可以由XGATE驅(qū)動，并且只對一個定時器提供波特率信息。
XGATE也還可以沒置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)，每次傳輸都會在SCLK上接收到時鐘信號。從機(jī)SPI執(zhí)行必須注意，由于錯過半周期時鐘沿而產(chǎn)生錯誤的讀操作會導(dǎo)致向SPI主機(jī)返回的數(shù)據(jù)錯誤。
3.6 異步串行通信
與SPI一樣，XGATE可以通過直接對口進(jìn)行位操作或者通用異步收發(fā)報機(jī)來控制軟件SCI。這個與最初的同步通信功能相似，當(dāng)然，臨界位的時鐘邊沿是不一樣的。
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)時間情況下必須保持位波特率的20％和總體的2％，也就是每10.4μs對每位采樣或設(shè)置一次。雖然位處理時間是允許變化的，但是在19 200 b／s的波特率下就不會在發(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)需要由一個比較定時器產(chǎn)生的2個定時值：一個是位周期；另一個是斷點檢測時間，通常為多個位周期時間。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)要求用位周期時間對中間通道進(jìn)行采樣，這樣就會和以前的中斷分開，就像進(jìn)入了另一個XGATE中斷，使中斷率加倍。此外，這個程序很短，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26μs；在XGATE的時鐘程序的影響下(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36μs執(zhí)行(允許延時26+10.4μs)。
這是一個當(dāng)XGATE程序加入后，如何滿足最大延時并允許其他程序執(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。
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)排隊的協(xié)議。
XGATE執(zhí)行213字節(jié)長的協(xié)議程序，執(zhí)行時每字節(jié)只要0.9μs。在雙字節(jié)加載數(shù)據(jù)時，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 排隊管理
對外部設(shè)備的排隊管理可以使主CPU進(jìn)行有意義的加載。一些MCU體系結(jié)構(gòu)根據(jù)排隊選擇外部設(shè)備來減少在CPU上的加載。XGATE可以根據(jù)使用者的要求提供此項功能。
結(jié) 語
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)勢中最大、最有特色的就是XGATE的加入。XGATE作為一個獨立于CPU的協(xié)處理器對于整個芯片的作用很大。在處理中斷方面XGATE可以實現(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RAM方面XGATE也有其自己的優(yōu)勢，在實際應(yīng)用中必然會受到大家的重視。但是就現(xiàn)在而言，雙核技術(shù)還是屬于一項新技術(shù)，在很多方面的應(yīng)用還是需要大家共同探索的。
本站聲明： 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布，目的在于傳遞更多信息，并不代表本站贊同其觀點，本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實性等。需要轉(zhuǎn)載請聯(lián)系該專欄作者，如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益，請及時聯(lián)系本站刪除。
下載文檔
