以高速緩存和片上閃存實現(xiàn)微控制器近似的確定性(圖)
實時控制系統(tǒng)對性能和確定性的要求
為了控制執(zhí)行機構,實時控制系統(tǒng)要從傳感器接收輸入信號,經控制運算后向執(zhí)行機構輸出指令信號。這些輸出必須在接收到輸入后的規(guī)定時間內被觸發(fā)——即系統(tǒng)需具有實時性;同時,對相同控制狀態(tài)下的相同輸入,輸出也應當始終相同——即系統(tǒng)需具有確定性。
電子行業(yè)中眾多領域的發(fā)展正在使這些基本的實時控制系統(tǒng)變得越來越復雜。一方面,控制算法越來越精細,達到了人工智能的決策水平。另一方面,這些控制系統(tǒng)越來越多地連網,即與以太網或無線局域網 (LAN) 進行局域連接,以及與互連網連接實現(xiàn)遠距離通信。此外,用戶界面也變得越來越復雜,對安全性的要求也越來越高,使得數(shù)據(jù)加密和外部控制源的合法性驗證成為系統(tǒng)不可缺少的功能。
這些發(fā)展趨勢使得處理器必須具備更強大的處理能力和更高的通信帶寬。處理器必須能夠按照某種確定的方式對實時輸入信號做出響應,同時還必須有足夠的存儲能力來處理各種網絡通信 (作為低優(yōu)先級的任務)。然而,在很多情況下,為提高性能而進行的系統(tǒng)升級需要保留原先的設備驅動程序、網絡協(xié)議堆棧以及作為控制算法基礎的一些基本運算操作。采用工業(yè)標準的處理器構架尤其如此,如32位ARM RISC。圖1給出了一個遵從這兩個原則的MCU升級的實例,即將以ARM7為基礎的AT91SAM7X系列升級為以ARM9為基礎的AT91SAM9XE 系列。這兩個系列的器件均有用于存儲程序代碼和參考數(shù)據(jù)的片上閃存。
這兩個系列的一個重要差別在于：ARM9處理器具有指令和數(shù)據(jù)高速緩存,而ARM7處理器沒有。高速緩存有助于緩解由于處理器和內存之間的能力差異（前者能以約200MIPS的速度運行代碼,而后者只能以約25MHz的速度傳輸數(shù)據(jù)）而造成的性能下降。眾所周知,在采用緩存的系統(tǒng)中不可能實現(xiàn)完全的確定性。不過,ARM926EJ-S處理器和AT91SAM9XE微控制器系列的很多架構特性可讓應用開發(fā)人員實現(xiàn)近似確定的實時性能。
高速緩存+寬數(shù)據(jù)總線片上閃存
很多架構上的特性可最大限度地提高內部數(shù)據(jù)傳輸帶寬。如圖2所示,以AT91SAM9XE系列為例,除具有單獨的、且能以處理器速度工作的16Kb指令和數(shù)據(jù)高速緩存外,還通過一個7層AHB總線矩陣在處理器、外設和內存之間建立并行數(shù)據(jù)通道。USB主機和以太網MAC外設都有專門的DMA端口來實現(xiàn)自主數(shù)據(jù)傳輸,而其APB外設則配有外設DMA控制器（PDC）,使內存和網絡接口間的批量數(shù)據(jù)傳送幾乎不占用處理器資源。高級中斷控制器（AIC）可在規(guī)定的處理器周期數(shù)以內處理一系列優(yōu)先的中斷向量。
>圖1 AT91SAM7X系列升級為AT91SAM9XE系列>圖2 AT91SAM9XE架構
