Руководство младшего инженера по встраиваемым системам

GHub Platform · Гайд · 0 ответов · 9 просмотров

В общем, при программировании для встроенных сред ресурсы относительно ограничены. Каковы основные ограничения? Финансовые ресурсы (общая спецификация материалов в сравнении с максимально допустимой стоимостью проекта) Энергетические ресурсы (встроенным системам может потребоваться работа от батарей, возобновляемых источников энергии или других портативных или ограниченных источников питания) Ресурсы обработки (встроенные микроконтроллеры (MCU), как правило, довольно простые) Ресурсы хранения (инструкции MCU, рабочая память) Доступное физическое пространство для проектирования (размер печатной платы (PCB)) Это признак качественной инженерной организации, когда все задания определяются с четким распределением ресурсов. Дизайнерские дома более низкого качества, такие как тысячи найденных в Шэньчжэне (深圳) и дельте Большой Жемчужной реки (大珠江三角洲地区), часто игнорируют финансовые проблемы и проблемы энергоэффективности, что в конечном итоге наносит им ущерб. После почти ста лет итеративных усовершенствований самые яркие инженерные умы Земли тщательно выбрали два стандартных типа шин, с которыми столкнутся младшие инженеры: простой физический тип и тип XBus. Успешные младшие инженеры должны всесторонне когнитивно усвоить способность понимать фундаментальные недостатки фасилитации и абстрактные аналитические действия этих искусных универсальных связующих. Хотя конечной целью любой шины обычно является соединение нескольких компонентов (обычно микроконтроллеров или входов/выходов) вместе, они также выполняют важную второстепенную роль во временном регулировании и синхронизации между компонентами. Итак, давайте сначала рассмотрим различные временные свойства: Простые физические: цикличность, низкая пропускная способность, стабильное чтение. XBus: ориентированное на подциклы, высокая пропускная способность, разрушительное чтение. Ориентация цикла относится к режиму, в котором электрические сигналы распределяются по топологии «точка-точка» или «многоабонентская схема» на рассматриваемой шине. На простой физической шине мы просто помещаем сигнал в схему, затем ждем следующего цикла (например, используя инструкцию slp в микроконтроллерах класса MC*), чтобы этот сигнал распространился на все устройства. На XBus, который является «настоящей» шиной, мы можем очень быстро перемешивать информацию в последовательном потоке со скоростью во многие Гц за цикл. Пропускная способность относится к объему информации, которая может быть передана за такт. В простой физической шине это обычно ограничивается небольшим диапазоном электрических значений, представленных в микроконтроллерах в виде целого диапазона 0–100. Однако XBus позволяет обмениваться объемами информации на многие кГц (т. е. практически неограниченно) в течение одного тактового цикла. Тип чтения относится к постоянству информации, поступающей на рассматриваемую шину. На простой физической шине мы можем использовать входящее значение на досуге, поскольку оно имеет тенденцию быть стабильным на протяжении всего тактового цикла. Например: tgt p0 0 -jmp end +teq p0 37 +... end:slp 1 В этом примере мы сначала выполняем общую проверку входящего значения с помощью инструкции tgt (проверка больше), а затем переходим к инструкции teq (проверка равенства) с большей специфичностью. Обратите внимание, что обе инструкции будут оценивать одно и то же входное значение. Однако в XBus каждое чтение будет относиться к разным значениям (tgt будет читать первое входящее значение XBus, а teq — второе). Это часто является источником путаницы для младших инженеров. Давайте теперь обратим внимание на обзор топологий схем, поддерживаемых разными типами шин. Простое физическое: точка-точка (асинхронный), множественная запись (максимум), безопасное множественное чтение. XBus: точка-точка (синхронно), множественная запись (синхронно), разрушительное чтение. Внимательный читатель сразу заметит, что оба популярных типа шин поддерживают как двухточечную, так и многоабонентскую топологию. Однако их свойства различаются. Давайте сначала посмотрим на синхронность топологий «точка-точка». Короче говоря, на простой физической шине вообще нет необходимости гарантировать, что подключенные компоненты читают или записывают данные на эту шину. Это означает, что данный микроконтроллер (MCU) может слепо записывать или читать с шины на произвольных частотах (иногда много Гц за такт и с различной частотой за такт в зависимости от его внутренних программных целей). Однако в Xbus очень важно гарантировать, что каждый компонент, читающий или записывающий на шину, делает это точно с той же частотой, что и другие компоненты, иначе MCU выйдет из строя во время блокировки, ожидая удаленной стороны своего синхронного ввода/вывода. Теперь давайте обратим внимание на парадигмы мультизаписи. На простой физической шине парадигму многократной записи можно описать как максимальную. Что это значит? Просто сигналы, отправленные несколькими записывающими устройствами на общую шину, будут эффективно увеличены до самого высокого сигнала. Например, если один MCU записывает значение уровня сигнала 25 % в общую простую физическую шину, второй MCU записывает уровень сигнала 35 %, а третий или четвертый MCU на этой общей шине считывает это значение, оба будут считывать значение уровня сигнала 35 %. Это демонстрирует как свойство максимальной записи, так и свойство безопасного многократного чтения. Проницательные инженеры (厉害) сразу же рассмотрят архитектурные возможности и потенциал оптимизации, предоставляемые парадигмой общей асинхронной шины с возможностью многократной записи. XBus, напротив, допускает несколько устройств записи, однако удаленный считыватель не может быть напрямую адресован в рамках протокола XBus и является просто первым MCU, выдающим инструкцию чтения по шине. Отсюда деструктивное свойство чтения. В совокупности эти факторы означают, что разработка сложных многоабонентских топологий XBus может раздражать, поскольку они в значительной степени полагаются на идеальную синхронность между программным кодом нескольких микроконтроллеров, что приводит к популярному современному китайскому афоризму «XB就是SB» («XBus - это ♥♥♥♥♥♥♥♥♥♥♥♥♥♥»). Наконец, следует отметить, что фактически существует два типа устройств, которые подключаются к простым физическим шинам: те, для которых выключение и включение (0 или 100) являются значимыми сигналами (например, кнопки или переключатели), и те, для которых важна временная мощность сигнала (например, светодиодные фонари). Также обратите внимание, что некоторые топологии (например, простые коммутационные устройства с физической шиной, управляемые XBus) допускают взаимодействие только с первым, но не со вторым. В заключение, простые физические шины обеспечивают большую инженерную гибкость, чем XBuse, в отношении планирования микроконтроллера в масштабе всей схемы, однако они делают это за счет уменьшения пропускной способности на цикл и потери архитектурных возможностей для внутрицикловой синхронизации инструкций нескольких микроконтроллеров. Инженеры профессионального уровня быстро освоят оба автобуса и связанные с ними архитектурные парадигмы. Здесь мы резюмируем различные подходы, которые можно использовать для хранения данных во встроенной среде. Инструкции MCU (жестко закодированные) Регистры MCU (реальное время) Разветвление потока управления MCU (реальное время) ПЗУ (жестко закодированное) RAM (реальное время) Простое состояние физической шины (реальное время) Инструкции MCU — это инструкции, записанные в MCU перед производством. Они представляют собой одну из форм хранения данных. Регистры MCU — это небольшие ячейки памяти реального времени, связанные с процессором, в которых могут храниться небольшие значения. Ветвление потока управления MCU относится к состоянию данного потока управления MCU (иногда известное в более сложных архитектурах как расположение указателя инструкций). Это потенциально обеспечивает немного дополнительной функциональной памяти в сценариях с особенно ограниченными ресурсами за счет инструкций потока управ