CPU,你省省心吧!杂事就交给小弟们去做
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2023-07-05 04:16
「CPU运行时间是宝贵的资源，我们要把有限的CPU时间投入到更有意义的事情中去。」
在我们进行嵌入式开发的过程中，你一定干过这几件事：用GPIO模拟某种通信接口，比如SPI等；用空循环来实现延时delay；空等寄存器的关键状态位。也许是出于无奈，比如所使用的芯片没有硬件SPI或通道不够，亦或者此时CPU除了空转并没有其它事情要作，但是我们一定要有这样的意识：这是在浪费CPU资源。
CPU是嵌入式系统的核心，但是它不必深入参与到每一个细节中去。记住：CPU是片上所有硬件资源的统领者，而非事必躬亲的苦力。我们要学会尽最大可能充分利用片上硬件资源，甚至在芯片外部扩展一些专门的硬件电路来完成功能设计。
我们看看
本章振南将通过几个实例来向大家说明如何减轻CPU负担，而用片内片外的硬件来实现我们想要的功能。
石油测井仪器
1.1 背景知识
在我的职业生涯中，有5年多的时间在做石油仪器。这是一个很传统的行业，但也是非常综合性和吃技术的行业。
有人说：“你这一章似乎要讲的是CPU的利用率问题，怎么又讲起石油仪器来了？”别急，振南自有用意。
请看图1.1。
上图所示为石油测井系统的简易拓扑示意图。工作时测井车通过轮盘拉动钢缆上提，与此同时仪器向外发射信号（电或超声），并接收返回信号经过计算将结果通过同轴以太网上传到地面系统，由上位机绘制出曲线。最终曲线将交给解释工程师，来判断油气储层的位置。
上提的速度是一定的，我们当然希望在某一个深度上多采集一些数据，即尽量提高采样率。这样最终的测井曲线上就能体现出更多的细节。
OK，这就是最基本的原理和背景。
1.2 测井数据采传的实现
电路上比较清晰，如图1.2。
1.2.1 最直接的初级方案
最直接的方案是所有人都能想到的方案，就是采集、计算、发送按部就班的进行，如图1.3所示。
每一个周期要作的事情就是：「ADC采集一段波形，然后进行计算，主要是一些数字滤波、FFT、DPSD之类的数字信号处理，最终将结果数据按协议格式打包通过McBSP（TI DSP专有的通信接口）发送给同轴以太网通信模块。我们当然希望这个周期越短越好，这需要将一些步骤优化压缩。」
1.2.2 加入DMA的优化方案
上面的方案，仔细看一下就会发现，它的所有操作都是需要CPU参与的，大量的时间都在等待外设。如何降低CPU的参与度，把其宝贵的时间不要浪费在空等上，而放在核心算法的计算上，请看图1.4所示。
我们首先由CPU参与完成一次波形采集，然后开始针对采集数据进行计算，因为涉及大量浮点数据的数字信号处理，所以计算过程会比较花时间，一次计算大约需要花费10ms。与此同时，我们适时的不断启动ADC转换，在其转换的时间间隙里进行计算，然后直接启动SPI-DMA传输来读取ADC的转换数据，而CPU不用去等DMA传输完成，可以利用DMA传输的时间进行计算，最后回过头来立即进行下一次计算，因为此时新的波形已经准备好了。这样，一个周期的时间可以压缩到10ms，采样率比原来提高了一倍。
振南是想通过这个实例来告诉大家：「CPU的运行时间是宝贵的，将片上的硬件资源充分的利用起来将可以释放出更多的CPU时间来作更有意义的事情。一些技巧和DMA的合理运用是行之有效的办法。」
其实很多时候能被用来发挥的硬件资源并不只限于片内，「我们自己设计一些简单的片外电路加以辅助，有时候可以达到意想不到的效果，」 请往下看。
巧驱摄像头
2.1 摄像头时序分析
我知道很多人都对摄像头模块感兴趣，想用单片机驱动一下试试效果，但是作成功的并不多，如图1.5。
究其原因有几点：
- 摄像头CMOS芯片的时序较为复杂；
- SCCB通信及相关寄存器的配置；
- 时序过快，而且是按其固有频率主动输出，难于捕捉和采集数据。
它的时序有多快，我们来看下图，如图1.6所示。
OV7670在VGA模式下可达到的最高帧率30fps，即每秒钟产生30帧640X480尺寸的图像。从官方资料上得知VGA模式下实际输出的行数为510，每行输出的像素数为784（多出来的行数与像素数是多余的，其数据是无效的，我们只关注HREF为高电平期间的像素数据）。这样，PCLK的时钟周期为1/（30 * 510 * 784 * 2）=41.7ns。想要用一般单片机的GPIO来直接采集像素数据，几乎是不可能的，因为IO与CPU的速度都不够快。
2.2 使用DCMI+DMA
要读取摄像头如此高速的数据，必须要有专门的硬件。我们可以选用ST的STM32F4系列单片机，它内置了DCMI（数字摄像头模块接口），使用它将可以很轻松的完成图像获取的功能。它要配合DMA来工作，如图1.7。
DCMI获取摄像头数据，可以通过DMA直接将数据保存到内部RAM或外部的SDRAM，甚至直接写入到TFT中，实现图像的实时动态显示。而在整个过程中，CPU只不过在作一些配置性的工作，并没有参与图像数据采集和传输。所以，用高端芯片会使我们的开发工作如虎添翼，事半功倍。就是因为它有更强大的硬件外设来为我们完成特定的功能实现。当然，更强大的硬件也意味着更多的学习成本，我们需要仔细学习如何正确的使用它来达到想要的效果。
有些时候，硬件外设电路甚至比CPU内核更复杂，比如有些多媒体编解码SOC，CPU内核只是51或M0，片上更大的面积是诸如H.264之类的编解码电路。所以，作嵌入式开发的工程师，「首先要充分了解自己手上有哪些硬件资源，而不要所有功能都纯依靠CPU来实现。」
扫码进群
2.3 自搭外部电路
本节的名字是“巧驱摄像头”，上面所介绍的方案都不算不上一个“巧”字。上述方案中必须要求单片机有DCMI之类的专用硬件，那不用DCMI可不可以？比如拿普通的51或低端的M0单片机，可不可以实现对摄像头的驱动。答案是肯定的，不过这需要我们在外部电路上作些手脚，如图1.8所示。
图1.9 通过片外并行FIFO实现一帧数据的获取
程序按上图描述的逻辑运行之后，一帧图像就存到FIFO中了。此时单片机可以慢慢从读取端（并行FIFO分为写入端与读取端，分别对应的有写指针与读指针）读到图像数据了。这样CPU和IO的速度就再也不是瓶颈。通过这样的机制，任何单片机都可以轻松实现图像采集了。
在此过程中，CPU都干了什么？似乎只有等待帧同步信号VSYNC和操作几个IO。这种方式比DCMI+DMA更省CPU（DMA实际上会占用一半的片内数据总线带宽，使CPU的运行效率降低），而且更灵活，对单片机硬件的依赖更小。
单片机巧驱7寸大液晶屏
通过上面几个实例，大家应该知道振南所谓“巧驱”的路数了吧，对，就是多让硬件说话，我们要作“软硬兼施”的工程师。
OK，如果我问大家：“我能用51或M0单片机，驱动7寸大屏液晶（800 * 480），如图1.10，并且流畅播放视频，你信不信？”你一定会说：“不太可能吧，刷屏速率不够。”但我既然这么问，那振南一定是已经实现了，这里我就把实现过程给大家讲一下。
先来看原理图，如图1.11~14。
仔细观察上面的原理图与逻辑框图，估计很多人已经明白了振南的意思，振南再给出配套的流程图，逻辑就更清晰了，如图1.16所示。
两片74HC595用于将16位串行数据转换为并行，与TFT液晶的16位数据接口相连。74HC595的串行数据输入同时与MCU的两个GPIO以及spiFlash的两个串行数据端口相连。当spiFlash失能时（即CS置高），其数据端口呈现高阻，此时74HC595可由MCU操作；而当MCU的GPIO设置为高阻时，两片74HC595可分别接收来自spiFlash的双位串行数据。这样的复用设计，「可以使MCU对TFT液晶进行预先的初始化，使其工作在纯像素数据写入的模式；而在高速数据写入的阶段，MCU退出而让TFT接收来自spiFlash的数据。」
两片74HC595实现串转并的要点在于LC锁存信号的产生，每产生8个SCK脉冲，则自动产生一个LC上上升沿，这是时序生成与理调逻辑的一部分。实现的根本在于74HC161与74HC27的组合运用，如图6.13。首先对74HC161复位清零，此时[Q2:Q0]=000，74HC27是三输入或非门，其输出1Y，即595-LC为1；时钟的输入后[Q2:Q0]随之自增001、010 …… 在000之前595-LC均为0，而8个时钟之后，595-LC将变为1，即产生了上升沿。这里振南给595-LC增加了两级74HC1G32作为缓冲，为的是增加一些延时，以使74HC595的存锁数据输出更稳定。
然后是液晶的WR信号的产生：从图6.12中可以看到，WR信号是一个GPIO与八位计数器输出最高位Q2的或非非（没错，是或非非）。当Q2为0时，WR受控于GPIO，此时可用于MCU对TFT预先进行初始化操作。当GPIO为0时，WR受控于Q2，每8个时钟会产生一个下降沿（前面那个或非非是为了推迟一下这个下降沿，以使16位并行数据写入液晶更稳定），并维持4个时钟周期。
基本的要点已经描述清楚了。至于时钟的产生，唯一的要求是要产生特定数量的时钟，而不能是连续不断的。比如一帧图像的数据量为800 * 480半字，我们要输出3072000个时钟才能让一帧图像显示到液晶上。所以我们不能用MCO或者是PWM，而要用SPI，如果是8位SPI，要写384000次，如果是16位SPI，则要写192000次。「当然，为了节省更多的CPU资源，我们可以使用DMA。当时钟不断的产生，一帧帧的图像显示到液晶上时，视频就流畅的播放出来了。」
我曾经把我这个“巧驱大屏”的实验讲给了我的同事听，他们在赞叹的同时，还说：“你不作FPGA真是浪费了！”其实我是作过一段时间的FPGA的，那还是在2007年在Intel中国研究院实习工作的时候。
好了，本章用3个实例阐述了本章最开头的那句话：「CPU时间是宝贵的，我们要把有限的CPU时间投入到更有意义的事情中去。」
实际开发中，充分地利用硬件资源，自行灵活扩展一些硬件电路，通常可以达到意想不到的效果，甚至可以化不可能为可能。
A「永远记住：我们很多时候作的是嵌入式软件的工作，但归根结底我们搞的还是硬件。」
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