當(dāng)談到32 位微控制器時，基于ARM 的產(chǎn)品已經(jīng)占據(jù)重要地位,。那么，這會是故事的全部嗎,？不見得,，行業(yè)內(nèi)最重要的公司之一，Microchip Technology,，正全力推動其基于MIPS 架構(gòu)的芯片,。他們最新推出的產(chǎn)品在提醒我們，成功的嵌入式設(shè)計需要指令集之外的諸多因素,。
在計算機歷史上,，從實驗室走出過多少種不同的指令集架構(gòu)？可能曾經(jīng)有數(shù)百種架構(gòu)取得過一些商業(yè)上的成功,；如果算上諸多博士論文中出現(xiàn)過的,，數(shù)目可能會多達幾千種。拿流行時尚做比喻,，計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展就好似女生裙擺的高度一般,，經(jīng)常來回變化。
曾經(jīng)有一段時間它非常要緊—— 比如在匯編語言編程的時期,。至于兼容性,，至少在表面上它依舊是件重要的事情，特別是在電腦或視頻游戲方面（例如,，有一些需要執(zhí)行以前的二進制文件）,。但實際上，嚴格的目標代碼兼容性對多數(shù)嵌入式設(shè)計來說已經(jīng)不再是一個大問題,。更多的問題是關(guān)于工具鏈的兼容性和代碼模塊的可用性,，指令集本身已經(jīng)不是問題之一。
隨著芯片不斷地集成系統(tǒng)功能,，設(shè)計人員需要的是一個擁有全部所需存儲器,、外設(shè)和膠合邏輯的芯片。并且這個芯片必須省電,、有良好的工具和支持,，以及合適的價格。
這并不是說在特定的應(yīng)用當(dāng)中,，體系結(jié)構(gòu)并沒有優(yōu)劣之分,。事實上，這個問題很有趣,，看看那些當(dāng)初為“計算機”設(shè)計的架構(gòu)—— 如ARM 和MIPS,，不斷下沉,，以更好地適應(yīng)嵌入式“控制器”應(yīng)用的需求。這些“計算機”架構(gòu)最后都終于認識到要在嵌入式應(yīng)用里面解決諸如代碼密度,、低功耗,、快速并確定的中斷響應(yīng)等問題。
認識 PIC32
在 MCU 領(lǐng)域的競爭里,，無疑MIPS 是在追趕ARM,。但是，擁有像Microchip 這樣的重量級選手支持,，差距正在縮小,。看看新的PIC32 5XX/6XX/7xx 系列產(chǎn)品,，高度集成了以太網(wǎng),、USB 和CAN 應(yīng)用。
我在以前的文章中（“MIPS for the Masses”,，Circuit cellar 216 期,，2008）介紹過PIC32的內(nèi)核。擁有5 級流水線,，性能相對較高（比如與ARM Cortex - M3 相比）。不過,，這只是處理器內(nèi)核級別的性能差異,。比如Microchip PIC32 的性能為1.5 DMIPS / MHz，而Cortex - M3是1.25 DMIPS / MHz 的,。在實際中,，32 位微控制器的flash 存儲器訪問時間是性能瓶頸。如以80MHz 運行的PIC32 可能需要2 個等待周期,。通常采用寬總線（128 位）,、高速緩存和預(yù)取等技術(shù)來減輕flash 訪問的瓶頸問題。
或者,，可以使用片內(nèi)的RAM來達到0 等待周期,。’5xx 系列包含64KB 的RAM，’6xx’和7xx 系列中的部分型號有多達128KB 的RAM,。不過要記住,，代碼和數(shù)據(jù)訪問之間的爭搶可能導(dǎo)致一些延遲。此外,256KB 或512KB 的flash 空間足夠用來放置你的代碼（加上額外12 KB 的啟動代碼空間）,。
外設(shè)方面,，這些新產(chǎn)品提供了完整的I/O（見圖1）。‘5xx/6xx/7xx 編號代表了大的接口功能：USB,、CAN 和以太網(wǎng),。‘5xx 系列包含一個USB 2.0 和一個CAN（2.0b）模塊,；‘6xx系列包含USB 模塊與一個10/100 以太網(wǎng)MAC。而‘7xx 系列集成了所有這些,，包含USB,、以太網(wǎng)和兩個CAN 模塊。
普通I/O 方面,，這些產(chǎn)品遵循了不同應(yīng)用需求的趨勢,。我們看到5 個16 位計數(shù)器/定時器，其中任何兩對可以組合成為32 位單元,。由于封裝尺寸（有64 腳和100 腳可選)和引腳復(fù)用的限制,你能得到最多六個UART,、四個SPI 以及五個I2C 接口。在模擬方面,，有一個16通道多路復(fù)用器連接一個10 位1 MSPS 的ADC 和兩個模擬比較器,。除了這些MCU 能力，另外還有8/16 位數(shù)據(jù)總線和16 位地址總線擴展功能,，外加兩個片選,。所有的數(shù)據(jù)流可以通過8個通用DMA通道控制，輔以4個專用DMA通道('5XX 和'6XX 系列)或8個專用DMA通道('7XX 系列),。
源自上世紀80 年代的MIPS 是RISC 方面“精簡”特性的杰出代表,。當(dāng)響應(yīng)中斷時，它們可以要對PC 和狀態(tài)寄存器壓棧,，不然的話就轉(zhuǎn)由軟件去處理,。對這種極端簡約存在一些爭議，可能少了一些有用的東西,?？紤]到這一點，PIC32 系列包括一個全功能優(yōu)先級/向量可編程的中斷控制器,；以及一組替代寄存器組用于快速中斷響應(yīng)和上下文切換,。
另外，不要忽視那些可能導(dǎo)致嚴重預(yù)算問題的膠合邏輯,，如看門狗定時器,、低電壓檢測、電壓整流器,、主時鐘/外設(shè)時鐘/實時時鐘等,。這些功能的集成，使PIC32 系列成為真正適用于“控制”應(yīng)用的芯片,，有別于“計算機”芯片,。
入門
跟以前一樣，Microchip 的芯片評估很容易，而且便宜,。PIC32 以太網(wǎng)入門套件（見照片1）定價$72,，提供一切你需要的部件。雖然名字為“以太網(wǎng)”入門套件,，該套件配備了高端的'795 型號MCU,，同時支持USB 功能。
該套件還包括配有一個“輕量級”GCC 編譯器的Microchip MPLAB IDE,。文檔中關(guān)于“輕量級”編譯器的說明有點矛盾,。“輕量級”版本編譯器暗示不支持先進的代碼優(yōu)化，但是我拿到的版本顯然不是這樣,，在下一節(jié)你將看到這一點,。或許實際上該工具包是所謂的“評估”版本,，支持所有功能,，但只有60 天有效期。
PIC32 采用的架構(gòu)來源于“計算”,，因此它非常適合管理面向PC 的以太網(wǎng)和USB 接口,。讓我們看一些演示程序，你就會明白我的意思,。
多年來Microchip 一直在為其小型的PIC 芯片提供部分網(wǎng)絡(luò)軟件棧,，PIC32 做得更多，它提供了全功能,、免費的BSD TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)堆棧,。包含所有的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、套接字等,，以及這些常用的協(xié)議：DHCP、UDP,、ICMP,、ARR 等。'795 型芯片中有512KB 的片上flash,，有充足的空間存儲一些漂亮的演示程序,，讓我們?yōu)g覽一下入門電路板（見照片2）。
USB 支持不錯,，,。OTG功能允許一個設(shè)備在USB 主、從設(shè)備之間動態(tài)切換,。一個典型的應(yīng)用案例是打印機,，當(dāng)連接到PC 時它是一個從設(shè)備，而當(dāng)連接到相機時它成為主設(shè)備?，F(xiàn)在所有的USB 芯片似乎都有OTG 了,，不過我自己從沒有遇到過需要以這種方式切換的情況,。
不管OTG 是否真正有用，它使得PIC32 能在更多的傳統(tǒng)領(lǐng)域中得到應(yīng)用,，無論是作為主設(shè)備或從設(shè)備,。USB“嵌入式主設(shè)備”在使用中有一些限制，不像“標準主設(shè)備”如電腦,，舉例來說PIC32 不提供VBUS 電源（100-500 mA）,但是你可以在個人電腦的USB接口上找到這種電源——當(dāng)然這完全可以理解,。另外，速度限制也需要注意,，,，作為從設(shè)備時能夠“全速”（12 Mbps），而作為主設(shè)備時只能提供“低速”（1.5 Mbps）,。
這個套件包含了一些實用的演示,。其中一個演示讓該板子成為一個標準人機接口設(shè)備（HID）——比如鼠標。因為HID 驅(qū)動已經(jīng)是標準,，你可以把它直接插入PC 使用,。另外，你可以把這個套件配置成USB 主設(shè)備,從而利用PIC32 不斷完善的FAT 文件管理軟件庫,，有一些演示展示了如何訪問廣泛使用的USB 存儲器（見照片3）,。
不過需要指出的是這個套件中沒有包含CAN 演示。因為我不懂也沒有實驗條件進行有意義的CAN 測試,，如果你需要該功能,，你需要自己來評估和結(jié)論。
優(yōu)化的迷宮
結(jié)構(gòu)體系進化的重要標志之一,，曾經(jīng)是編譯器的優(yōu)化,。您可能還記得有些人把“RISC”縮寫調(diào)侃為“Relegate the Impossible Stuff to the Compiler”，即“把不可能完成的任務(wù)丟給編譯器”,。然而,，在調(diào)試時,一個太過自我聰明的編譯器其問題也是顯而易見的。比如PIC32 的“C”編譯手冊有提到說,，當(dāng)調(diào)試經(jīng)過優(yōu)化的代碼時“可能偶爾會碰到令人驚訝的結(jié)果,。”
例如，有些變量和代碼會消失,，如果編譯器認為你其實并不需要它們,。舉例說你聲明了一個變量，然后給它賦值一個常數(shù),，接著在某個計算時調(diào)用了這個變量,。不要為找不到那個變量和賦值語句而抓狂，編譯器只是比你更聰明一點，它在計算中直接調(diào)用了常數(shù),。
當(dāng)你在一個條件分支指令處點擊了單步執(zhí)行,，然后看到光標移動到了下一條指令處，這是否意味該條件分支的條件未被滿足呢,？未必,，請注意這是MIPS 架構(gòu)的一個特性，即分支指令的下一條指令總是會被執(zhí)行,，當(dāng)編譯器找不到合適的指令時會填充一條NOP 指令,。你必須再執(zhí)行一次單步操作，才能確認分支條件是否被滿足（在這種情況下,，你會看到光標跳到分支目標處）或不滿足（光標跳轉(zhuǎn)到下一條順序指令）,。更先進的“代碼移動”優(yōu)化能夠?qū)е赂嗟膬?yōu)化干預(yù)。請記住,，有時指令可以被挪動很遠的距離,，甚至超出你認為應(yīng)在的循環(huán)之外。
不過,，調(diào)試優(yōu)化過的代碼也是可能的,，尤其是你喜歡頭腦風(fēng)暴的話（例如，在分支指令后跟一個分支指令會發(fā)生什么,？）,。通常缺省的編譯器優(yōu)化只生成簡單的代碼，會完整保留你的意圖即使可能它效率底下,。當(dāng)調(diào)試時在斷點觸發(fā)處,，，你可以放心地修改某個變量的值,，而不用擔(dān)心編譯器會搗什么鬼(比如雖然你從源代碼中看不到,，但一些賦值語句已經(jīng)被挪動并執(zhí)行了)。
需要緊記的是,，編譯器優(yōu)化設(shè)置（見照片4）能夠產(chǎn)生很大影響,。我試著跑過一個USB主機演示程序，采用了如表1 所示的不同編譯器設(shè)置,，你可以看到，不同設(shè)置下（速度/大小取向,、循環(huán)展開,，采取MIPS-16 的16 位代碼優(yōu)化選項）生成的代碼大小相差能夠高達2倍。
保持簡潔
PIC32 在精簡MIPS 架構(gòu)使其服務(wù)于嵌入式應(yīng)用方面做得很好,。比如,，全部的活動功耗只有1mA/MHz 水平，從它提供的性能來看這是非常難得的。它們的批量價格也比較合理,，特別考慮到那些完整的外設(shè)和存儲器配備,。
然而競爭也非常激烈，像Cortex - M3,、瑞薩SH（現(xiàn)在叫RX）,、愛特梅爾的AVR32 以及飛思卡爾的ColdFire 等。這些競爭對手在行業(yè)里已經(jīng)有很長的時間,它們的產(chǎn)品也具有很廣的覆蓋面,，在高端產(chǎn)品上能提供跟PIC32類似的集成度和性能,，同時還有許多入門級的簡單產(chǎn)品。
我認為MIPS 也在低端產(chǎn)品線上延伸,，他們最近發(fā)布的“M14K”內(nèi)核就是明證,，在保留當(dāng)前版本性能的基礎(chǔ)上，在代碼密度,、中斷響應(yīng)和外設(shè)一致性上取得了非常大的進步,。
其中最深刻的變化是一套新的“microMIPS”指令集。類似于ARM 的Thumb-2,，microMIPS 采用了可變長度的操作碼（16 和32 位）,，以同時取得兩者的優(yōu)點，即接近32位代碼的性能和16 位代碼的密度（見圖2）,。定長指令集是原始RISC 革命的標志性特點,，這在當(dāng)時是合理的（雖然我并沒有覺得），但在今天,，架構(gòu)師們意識到用32 位存儲器（即使不考慮功耗的開銷）只是做個寄存器累加或短跳轉(zhuǎn)是沒有意義的,。同上，在軟件方面,，編譯器和IDE 都很好,，但MIPS 和Microchip 也應(yīng)該注意那些簡單的替代產(chǎn)品，如ARM 的mbed,、AVR 的Arduino,，還有他們自己陣營的PICAXE。有些人可能還認為32 位芯片只是火箭科學(xué)家的事,，但火箭能賣掉多少個,？
想賣出更多的芯片嗎？很簡單,，只要做到更低功耗低,、更易使用、更便宜,。然后接著再這樣繼續(xù),。