主控制器" title="主控制器">主控制器和從控制器
最基本的原理就是：用主控制器進(jìn)行集中決策,，再交由從控制器分別執(zhí)行,。在最為復(fù)雜的系統(tǒng)中，這種方法必不可少,，并能夠自動(dòng)執(zhí)行,。比如，手機(jī)中的主處理器用于決定屏幕的顯示內(nèi)容以及外設(shè)(如LCD顯示控制器或無線電收發(fā)器" title="收發(fā)器">收發(fā)器)需要完成的工作,，而不會(huì)直接控制顯示的各個(gè)像素或是無線電的編/解碼,。主控制器將告知顯示器需要顯示什么信息，并由顯示器來決定如何顯示,；同樣,，主控制器向收發(fā)器提供需要編碼的音頻信號(hào)，而收發(fā)器則提供解碼后的信號(hào),。
在其他嵌入式系統(tǒng)中,，任務(wù)的劃分或許不那么明顯，但基本思想都是相同的,。如果一個(gè)中央主控制器能夠與遠(yuǎn)程從設(shè)備以及本地設(shè)備進(jìn)行通信,，那么整個(gè)系統(tǒng)中就可以有統(tǒng)一的控制。另外，為了使一個(gè)分布式系統(tǒng)獲得成功,，需要對(duì)接口作明確的定義,。
雖然微控制器" title="微控制器">微控制器有許多標(biāo)準(zhǔn)的通信方法，但在主/從嵌入式系統(tǒng)中,，最常用的是RS23 2串行接口,、SPI和I2C。采用這些通信接口的從設(shè)備包括較低級(jí)的ADC,、DAC,、串行EEPROM、各類數(shù)字I/O,，以及較高級(jí)的電壓排序和監(jiān)控器件以及閉環(huán)風(fēng)扇控制器等,。
將任務(wù)分而治之
在目前嵌入式市場(chǎng)的從器件以及可被用作主控制器或定制從控制器的微控制器中，比較流行的通信方法是I2C,。這主要是由于I2C價(jià)格較低,，只需雙線/引腳和兩個(gè)上拉電阻器即可構(gòu)成，并且簡單易用,。就分布式嵌入系統(tǒng)而言,，I2C(400kHz)往往是最佳選擇。
將任務(wù)分而治之的關(guān)鍵在于：簡單的問題要比復(fù)雜的問題更加容易解決,。此外,，將器件彼此分開可以減少它們之間的耦合，并提高系統(tǒng)的可靠性,。如果能夠正確地分配功能,、定義接口，就可以避免普遍存在的一些故障,。最后,，如果能夠很好地利用自己的經(jīng)驗(yàn)，則在劃分任務(wù)的過程中就將能產(chǎn)生許多可重用的設(shè)計(jì),，從而使得工程師在設(shè)計(jì)下一個(gè)項(xiàng)目時(shí)不用從頭開始,。
實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分而治之需要依靠一根通信總線，在有些情況下,，總線會(huì)影響到某些主控制器/從控制器的特性,。在本文中使用I2C作為總線，是因?yàn)橹С衷摽偩€的器件比較普遍,，而且測(cè)試和調(diào)試I2C所需的外部工具價(jià)格較低或比較容易創(chuàng)建,。
這種主控制器/從控制器的原理在任何嵌入式設(shè)計(jì)中都是以相同的方法來處理的。首先,，確定需要集中做出那些決策,，并將它們分配給主控制器；然后把具體操作分配給從控制器去執(zhí)行,。關(guān)鍵在于如何進(jìn)行任務(wù)的劃分,。一種高效的策略是：不要讓主控制器因?yàn)槿魏问虑槎サ却硞€(gè)從控制器；如果從控制器需要主控制器提供某些信息,，它必須先呼叫主控制器,。在有些情況下，這種方法還需要一根中斷線,，以使從控制器能夠呼叫主控制器,。
采用I2C I/O擴(kuò)展器" title="擴(kuò)展器">擴(kuò)展器件的面板控制器
本文在一個(gè)控制設(shè)備面板的系統(tǒng)中采用了該方法，面板由按鈕,、開關(guān)和LED組成,。在該面板系統(tǒng)中，主控制器是負(fù)責(zé)管理該系統(tǒng)的主處理器,，如嵌入式的Windows或Linux計(jì)算機(jī),；從控制器為I2C總線連接I/O擴(kuò)展器。
通過讓主處理器在上電時(shí)對(duì)I/O擴(kuò)展器進(jìn)行配置,，按鈕/開關(guān)檢測(cè)輸入和LED狀態(tài)輸出將被傳至主處理器,。任何一個(gè)具有I2C總線的處理器都可以是主控制器，它對(duì)設(shè)備進(jìn)行軟件配置,，并可以方便地改變按鈕和LED的配置,。
這種簡單的系統(tǒng)如圖1所示。圖中藍(lán)色的圓圈代表按鈕輸入,，紅色和綠色形狀代表LED,。在設(shè)計(jì)中使用了兩個(gè)小的I2C I/O擴(kuò)展器，是為了實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)的模塊化,，把輸入子系統(tǒng)的變化與輸出子系統(tǒng)分隔開,。當(dāng)在主控制器中進(jìn)行決策時(shí)，可使某一特定功能的變化不影響到其他的功能,。
圖1 面板系統(tǒng)簡圖
而且,，由于所有的控制功能都由主控制器完成，因此系統(tǒng)中的硬件部分很簡單,，而且易于改變,。但這種簡單的方法也有缺點(diǎn)，當(dāng)希望增加一個(gè)用于調(diào)節(jié)LED亮度的環(huán)境光傳感器時(shí),，增加的工作負(fù)擔(dān)將全部由主控制器來承擔(dān),，它要保證所有的從控制器能夠適應(yīng)設(shè)計(jì)變化，并正常工作,。但其實(shí)主控器只需要知道按鈕的狀態(tài),，并控制LED的接通和關(guān)斷,。
設(shè)計(jì)定制的I2C從控制器件
在圖1的系統(tǒng)中，所有的邏輯信息都存儲(chǔ)在主控制器中,，一切變化都要通過主控制器完成,。作為替代方案，可以定義一個(gè)面板接口,，并將所有的細(xì)節(jié)問題交給一個(gè)分布式的從控制器系統(tǒng)來處理,，這樣可減少主處理器的負(fù)擔(dān)，如圖2所示,。
圖2 采用定制從器件的面板系統(tǒng)
?? 設(shè)計(jì)定制器件時(shí)應(yīng)采用定義了穩(wěn)定協(xié)議和接口且經(jīng)過驗(yàn)證的I2C從控制器實(shí)現(xiàn)方案,，最常用的協(xié)議是目前大多數(shù)I2C從控制器件所采用的、基于寄存器的協(xié)議,。相關(guān)概要信息如下：
對(duì)于I2C,，所有的事務(wù)處理均由主控制器啟動(dòng)；
每個(gè)從器件都具有一個(gè)I2C?7位地址(最低有效位表明事務(wù)處理是“讀”還是“寫”),；
每個(gè)從器件都具有一個(gè)內(nèi)部地址寄存器,，用于存儲(chǔ)一個(gè)指向包含了數(shù)據(jù)、命令或狀態(tài)信息的內(nèi)部表指針,；
每個(gè)從器件均定義了其寄存器的地址及其功能,，指明它們是只讀型的還是讀/寫型的；
一個(gè)寫處理事務(wù)由一個(gè)具有I2C器件7位地址和寫操作位的字節(jié)以及一個(gè)位于其后的,、用于設(shè)定內(nèi)部地址寄存器的字節(jié)組成,，如果在處理事務(wù)中有更多的字節(jié)，則它們將被寫入以新設(shè)定的內(nèi)部地址為起點(diǎn)的從器件,；
一個(gè)讀處理事務(wù)由一個(gè)具有I2C器件7位地址和讀操作位的字節(jié)以及一個(gè)位于其后的主控制器組成,，該主控制器用于記錄從器件的字節(jié)數(shù)，并在結(jié)束時(shí)提供停止信號(hào),。由此可見,，I2C從控制器與雙端口RAM很相似，非常易于使用,。
接下來要選擇可編程器件,，賽普拉斯公司推出的微控制器件PSoC擁有處理大多數(shù)I2C從控制器所需的全部功能，并提供了一種易用的工具,，從而簡化了增加I2C從控制器的工作,，只需“拖、放,、選擇地址”即可,。
首先，定義一個(gè)按鈕輸入的從器件,，創(chuàng)建一個(gè)具有3個(gè)地址引腳和7個(gè)按鈕輸入的器件,，并通過配置使之接受一個(gè)靠近5V直流系統(tǒng)電源的常開開關(guān),。按鈕狀態(tài)將在一個(gè)由I2C主控制器進(jìn)行存取的單字節(jié)中提供。
其次,，定義用于控制LED的從器件,，創(chuàng)建一個(gè)具有2個(gè)地址引腳并能夠以10mA的電流來驅(qū)動(dòng)8個(gè)LED(分為4紅4綠)的器件。定義被稱為“Command”的單字節(jié)用于執(zhí)行I2C的命令輸入,，以控制LED。該字節(jié)的4個(gè)低位用于控制紅光LED,，而4個(gè)高位則負(fù)責(zé)控制綠光LED,。
接下來，還可以更加細(xì)致地定義定制I2C主控制器/從控制器的接口,，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)從控制級(jí)的客戶化設(shè)計(jì),。如果想把系統(tǒng)主控制器從一個(gè)輪詢器件變?yōu)橐粋€(gè)接收?qǐng)?bào)警信號(hào)的中斷器件時(shí)，則可以給按鈕輸入設(shè)備增加一根輸出線,。這些改動(dòng)能夠進(jìn)一步地把主系統(tǒng)處理器與低級(jí)設(shè)備相隔離,，并提供了在不影響主系統(tǒng)的情況下繼續(xù)改善子系統(tǒng)的更大靈活性。
將分而治之的概念推廣到所有的通信總線
本文所討論和說明的概念可適用于任何的總線類型,，需要做的是定義滿足各種不同需要的協(xié)議,，以最大限度地縮短無線、便攜系統(tǒng)中的傳輸時(shí)間,，或是在苛刻的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)完善的檢錯(cuò)/糾錯(cuò),。
主控制器可以被稱為集線器，從控制器可以被看作一個(gè)節(jié)點(diǎn)并具有預(yù)定的響應(yīng)時(shí)間,，但是,，分而治之的思想仍然適用：把普通、重復(fù)的測(cè)量和低級(jí)控制分配給級(jí)別最低的點(diǎn),，而將重要的工作留給系統(tǒng)控制器來完成,。另外，在各種情況下都必須建立功能強(qiáng)大,、精確定義的接口,，以便為下一級(jí)的設(shè)計(jì)留出一定的自由度，在不影響較高級(jí)設(shè)備的情況下方便地改變?cè)O(shè)計(jì)方案,。