中心議題：

• 成功的嵌入式設計需要指令集之外的諸多因素
• 認識 PIC32
• 入門 PIC32
• PIC32擁有優化的迷宮
• PIC32保持簡潔

當談到32 位微控製器時，基於ARM 的產品已經占據重要地位。那麼，這會是故事的全部嗎？不見得，行業內最重要的公司之一，Microchip Technology，正全力推動其基於MIPS 架構的芯片。他們最新推出的產品在提醒我們，成功的嵌入式設計需要指令集之外的諸多因素。

在計算機曆史上
，從實驗室走出過多少種不同的指令集架構？可能曾經有數百種架構取得過一些商業上的成功； ruguosuanshangzhuduoboshilunwenzhongchuxianguode，shumukenenghuiduodajiqianzhong。naliuxingshishangzuobiyu，jisuanjitixijiegoufazhanjiuhaosinvshengqunbaidegaoduyiban，jingchanglaihuibianhua。

曾經有一段時間它非常要緊—— 比如在彙編語言編程的時期。至於兼容性，至少在表麵上它依舊是件重要的事情，特別是在電腦或視頻遊戲方麵（例如，有一些需要執行以前的二進製文件）。但dan實shi際ji上shang
，嚴yan格ge的de目mu標biao代dai碼ma兼jian容rong性xing對dui多duo數shu嵌qian入ru式shi設she計ji來lai說shuo已yi經jing不bu再zai是shi一yi個ge大da問wen題ti。更geng多duo的de問wen題ti是shi關guan於yu工gong具ju鏈lian的de兼jian容rong性xing和he代dai碼ma模mo塊kuai的de可ke用yong性xing，指zhi令ling集ji本ben身shen已yi經jing不bu是shi問wen題ti之zhi一yi。

隨著芯片不斷地集成係統功能
，設計人員需要的是一個擁有全部所需存儲器
、外設和膠合邏輯的芯片。並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。

這並不是說在特定的應用當中，體係結構並沒有優劣之分。事實上，這個問題很有趣，看看那些當初為“計算機”設計的架構—— 如 ARM 和MIPS，不斷下沉，以更好地適應嵌入式“控製器”應用的需求。這些“計算機”架構最後都終於認識到要在嵌入式應用裏麵解決諸如代碼密度、低功耗
、快速並確定的中斷響應等問題。

認識 PIC32
在 MCU 領域的競爭裏，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 係列產品
，高度集成了以太網、USB 和CAN 應用。

我在以前的文章中（“MIPS for the Masses”
，Circuit cellar 216 期，2008）介紹過PIC32的內核。擁有5 級流水線，性能相對較高（比如與ARM Cortex - M3 相比）。不過
，這隻是處理器內核級別的性能差異。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 位微控製器的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）
、高速緩存和預取等技術來減輕flash 訪問的瓶頸問題。

或者
，可以使用片內的RAM來達到0 等待周期。’5xx 係列包含64KB 的RAM
，’6xx’和7xx 係列中的部分型號有多達128KB 的RAM。不過要記住
，代碼和數據訪問之間的爭搶可能導致一些延遲。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）。

外設方麵
，這些新產品提供了完整的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。‘5xx 係列包含一個USB 2.0 和一個CAN（2.0b）模塊；‘6xx係列包含USB 模塊與一個10/100 以太網MAC。而‘7xx 係列集成了所有這些
，包含USB、以太網和兩個CAN 模塊。

圖1：憑借豐富的I/O（USB、以太網、CAN等），PIC32成為Microchip和MIPS在MCU戰場上的有力武器

普通 I/O 方麵
，這些產品遵循了不同應用需求的趨勢。我們看到5 個16 位計數器/定時器
，其中任何兩對可以組合成為32 位單元。由於封裝尺寸（有64 腳和100 腳可選)和引腳複用的限製,你能得到最多六個UART、四個SPI 以及五個I2C 接口。在模擬方麵，有一個16通道多路複用器連接一個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 位數據總線和16 位地址總線擴展功能，外加兩個片選。所有的數據流可以通過8個通用DMA通道控製，輔以4個專用DMA通道(''5XX 和''6XX 係列)或8個專用DMA通道(''7XX 係列)。

源自上世紀80 年代的MIPS 是RISC 方麵“精簡”特性的傑出代表。當響應中斷時，它們可以要對PC 和狀態寄存器壓棧
，不然的話就轉由軟件去處理。對這種極端簡約存在一些爭議
，可能少了一些有用的東西。考慮到這一點
，PIC32 係列包括一個全功能優先級/向量可編程的中斷控製器；以及一組替代寄存器組用於快速中斷響應和上下文切換。

另外，不要忽視那些可能導致嚴重預算問題的膠合邏輯，如看門狗定時器、低電壓檢測、電壓整流器

、主時鍾/外設時鍾/實時時鍾等。這些功能的集成
，使PIC32 係列成為真正適用於“控製”應用的芯片，有別於“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”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。文檔中關於“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化，但是我拿到的版本顯然不是這樣，在下一節你將看到這一點。或許實際上該工具包是所謂的“評估”版本，支持所有功能
，但隻有60 天有效期。[page]

PIC32 采用的架構來源於“計算”，因此它非常適合管理麵向PC 的以太網和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 芯片提供部分網絡軟件棧，PIC32 做得更多，它提供了全功能、免費的BSD TCP/IP 網絡堆棧。包含所有的網絡服務
、套接字等，以及這些常用的協議：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，讓我們瀏覽一下入門電路板（見照片2）。 USB 支持不錯，。OTG功能允許一個設備在USB 主、從設備之間動態切換。一個典型的應用案例是打印機，當連接到PC 時它是一個從設備
，而當連接到相機時它成為主設備。現在所有的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 能在更多的傳統領域中得到應用
，無論是作為主設備或從設備。USB“嵌入式主設備”在使用中有一些限製
，不像“標準主設備”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——當然這完全可以理解。另外，速度限製也需要注意，
，作為從設備時能夠“全速”（12 Mbps），而作為主設備時隻能提供“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備（HID）——比如鼠標。因為HID 驅動已經是標準
，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論。

優化的迷宮
結構體係進化的重要標誌之一，曾經是編譯器的優化。您可能還記得有些人把“RISC”縮寫調侃為“Relegate the Impossible Stuff to the Compiler”，即“把不可能完成的任務丟給編譯器”。然而
，在調試時,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
，當調試經過優化的代碼時“可能偶爾會碰到令人驚訝的結果。”

例li如ru，有you些xie變bian量liang和he代dai碼ma會hui消xiao失shi
，如ru果guo編bian譯yi器qi認ren為wei你ni其qi實shi並bing不bu需xu要yao它ta們men。舉ju例li說shuo你ni聲sheng明ming了le一yi個ge變bian量liang
，然ran後hou給gei它ta賦fu值zhi一yi個ge常chang數shu
，接jie著zhe在zai某mou個ge計ji算suan時shi調tiao用yong了le這zhe個ge變bian量liang。不bu要yao為wei找zhao不bu到dao那na個ge變bian量liang和he賦fu值zhi語yu句ju而er抓zhua狂kuang，編bian譯yi器qi隻zhi是shi比bi你ni更geng聰cong明ming一yi點dian
，它ta在zai計ji算suan中zhong直zhi接jie調tiao用yong了le常chang數shu。

當(dang)你(ni)在(zai)一(yi)個(ge)條(tiao)件(jian)分(fen)支(zhi)指(zhi)令(ling)處(chu)點(dian)擊(ji)了(le)單(dan)步(bu)執(zhi)行(xing)，然(ran)後(hou)看(kan)到(dao)光(guang)標(biao)移(yi)動(dong)到(dao)了(le)下(xia)一(yi)條(tiao)指(zhi)令(ling)處(chu)
，這(zhe)是(shi)否(fou)意(yi)味(wei)該(gai)條(tiao)件(jian)分(fen)支(zhi)的(de)條(tiao)件(jian)未(wei)被(bei)滿(man)足(zu)呢(ne)
？未(wei)必(bi)

，請(qing)注(zhu)意(yi)這(zhe)是(shi)MIPS 架構的一個特性，即分支指令的下一條指令總是會被執行

，當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（光標跳轉到下一條順序指令）。更先進的“代碼移動”優化能夠導致更多的優化幹預。請記住

，有時指令可以被挪動很遠的距離
，甚至超出你認為應在的循環之外。

不過
，調試優化過的代碼也是可能的，尤其是你喜歡頭腦風暴的話（例如，在分支指令後跟一個分支指令會發生什麼
？）。通tong常chang缺que省sheng的de編bian譯yi器qi優you化hua隻zhi生sheng成cheng簡jian單dan的de代dai碼ma
，會hui完wan整zheng保bao留liu你ni的de意yi圖tu即ji使shi可ke能neng它ta效xiao率lv底di下xia。當dang調tiao試shi時shi在zai斷duan點dian觸chu發fa處chu
，，你ni可ke以yi放fang心xin地di修xiu改gai某mou個ge變bian量liang的de值zhi
，而er不bu用yong擔dan心xin編bian譯yi器qi會hui搗dao什shen麼me鬼gui(比如雖然你從源代碼中看不到，但一些賦值語句已經被挪動並執行了)。 需要緊記的是，編譯器優化設置（見照片4）能夠產生很大影響。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置，你可以看到，不同設置下（速度/大小取向、循環展開，采取MIPS-16 的16 位代碼優化選項）生成的代碼大小相差能夠高達2倍。 保持簡潔
PIC32 在精簡MIPS 架構使其服務於嵌入式應用方麵做得很好。比如，全部的活動功耗隻有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和存儲器配備。

然而競爭也非常激烈，像Cortex - M3
、瑞薩SH（現在叫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裏已經有很長的時間,它們的產品也具有很廣的覆蓋麵，在高端產品上能提供跟PIC32類似的集成度和性能，同時還有許多入門級的簡單產品。

我認為MIPS 也在低端產品線上延伸
，他們最近發布的“M14K”內核就是明證，在保留當前版本性能的基礎上，在代碼密度、中斷響應和外設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。類似於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 革命的標誌性特點，這在當時是合理的（雖然我並沒有覺得），但在今天，架構師們意識到用32 位存儲器（即使不考慮功耗的開銷）隻是做個寄存器累加或短跳轉是沒有意義的。同上，在軟件方麵，編譯器和IDE 都很好，但MIPS 和Microchip 也應該注意那些簡單的替代產品
，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 位芯片隻是火箭科學家的事，但火箭能賣掉多少個？

想賣出更多的芯片嗎
？很簡單
，隻要做到更低功耗低
、更易使用、更便宜。然後接著再這樣繼續。