S12XD系列中XGATE協(xié)處理器的原理及應用

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

關鍵詞? MC9S12XD系列? XGATE協(xié)處理器? 脈沖寬度調制? 串行通信? 排隊管理

1? 概述

　　美國Freescale公司在推出S12D系列16位單片機后，再次推出了功能更強大的S12XD系列16位單片機。其中，包括MC9S12XD64、MC9S12XDP512、MC3S12XDT256、MC3S12XDG128等。

　　在處理多任務技術方面，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，其工作頻率可達到S12D系列的CPU下載總線頻率的2倍。在CPU進行多總線加載數(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同時執(zhí)行一系列的重要任務。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寫。但是，這種方案中在等候下個中斷到來之前通常DMA只執(zhí)行讀或寫指令，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，要介入確認信號或對數(shù)據(jù)進行修正的處理。因而，一個以DMA支持的中斷經(jīng)常只能做一部分工作，CPU 會被預留出一部分來通過中斷主程序來完成這些任務。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雜的應用程序。

　　XGATE就是為了提高應用反應速度和減少主CPU的中斷負荷而產生的，通過中斷程序的執(zhí)行以達到與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進行中斷處理的負荷。

　　多數(shù)嵌入式應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。通常這些是與接口功能相聯(lián)系的，如調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置雖然非常簡單，但卻允許開發(fā)復雜程序。XGATE優(yōu)于一個智能的DMA控制器，因為它提供一個復雜I/O處理的能力。當XGATE與CPU12X核一起使用時，有一些限制需要考慮，但是不會對XGATE所設計的功能產生影響。

　　XGATE為應用提供了更高級別的中斷，通過分擔一些服務程序來縮短CPU的工作時間和進程。

2.2? XGATE的主要特性

◆ XGATE是一個協(xié)處理器，它可以像主CPU一樣進入并且控制外圍設備；
◆ 從中斷出來后的反應時間短；
◆ 在進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；
◆ 當用于較短程序時，XGATE可以提供最好的應用方式；
◆ 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的關系

　　中斷控制器硬件產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)先權的等級被設置到7個級別當中的一個。如果有2個中斷請求同時產生，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。

圖1? 用CPU或者XGATE的中斷路徑

　　XGATE和CPU完全一樣，是一個支持C編譯器的可編程的核。當中斷源到來時，它開始運行；在完成中斷的任務以后，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的內部總線允許交叉進入RAM區(qū)。當主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入RAM。所以若主CPU不進入RAM的周期內，則XGATE訪問RAM的速度就會是CPU最高速度的2倍。

3? XGATE應用及其工作原理

3.1? 多通道PWM

　　脈沖寬度調制（PWM）在很多I/O引腳上被MCU的物理硬件很嚴格地限制了，或者說如果需要更多的PWM信號就必須使用軟件來驅動這些脈沖。當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生多通道的PWM，這樣可以使MCU源的應用更有效率。在很多的實際應用中，相關的PWM信號產生就是利用了定時器來產生所需要的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示符的信息，然后數(shù)據(jù)會被送到存儲器中的一個適當?shù)膮^(qū)域，這些都是由匹配的標識符和負載數(shù)據(jù)決定的。

3.3? CAN網(wǎng)關

　　CAN網(wǎng)關在工業(yè)系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的典型形式就是具有2個CAN網(wǎng)絡拓撲。XGATE就可以幫助CPU來實現(xiàn)這個雙CAN網(wǎng)絡的功能。

　　XGATE可以通過查表提供100%軟件過濾。在每100 μs接收一幀信息（每幀信息包括8字節(jié)和29位標識符）的情況下，對8位或者16位MCU來說，這個雙CAN網(wǎng)絡拓撲結構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

　　很多電機控制應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，積分編碼可以提供位置反饋，并且可以產生每秒幾萬個脈沖。如要保持CPU沒有加載，則由XGATE完成該任務，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個傳感器可以為轉動參考點提供一個索引信號。每次讀2個傳感器輸入任務時會有一個中斷，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(執(zhí)行程序所用時間少于0.5 μs)。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可以提供簡單的驅動功能。SPI(同步串行通信)在主機模式下操作是很容易完成的，時鐘和數(shù)據(jù)都可以由XGATE驅動，并且只對一個定時器提供波特率信息。

　　XGATE也還可以設置SPI從機操作，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SPI執(zhí)行必須注意，由于錯過半周期時鐘沿而產生錯誤的讀操作會導致向SPI主機返回的數(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行位操作或者通用異步收發(fā)報機來控制軟件SCI。這個與最初的同步通信功能相似，當然，臨界位的時鐘邊沿是不一樣的。在異步串行通信中XGATE編碼是被嚴格限制的(波特率最大值通常是19 200 b/s)。在最大反應時間情況下必須保持位波特率的20%和總體的2%，也就是每10.4 μs對每位采樣或設置一次。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行采樣，這樣就會和以前的中斷分開，就像進入了另一個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26 μs；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36 μs執(zhí)行(允許延時26+10.4 μs)。

　　這是一個當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用領域中流行起來。

　　LIN和SCI外部設備一樣，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0.9 μs。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

　　對外部設備的排隊管理可以使主CPU進行有意義的加載。一些MCU體系結構根據(jù)排隊選擇外部設備來減少在CPU上的加載。XGATE可以根據(jù)使用者的要求提供此項功能。結語S12XD系列16位微處理器是較高端的車載型單片機，應用很廣泛。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，在實際應用中必然會受到大家的重視。但是就現(xiàn)在而言，雙核技術還是屬于一項新技術，在很多方面的應用還是需要大家共同探索的。