CPU運行時間是寶貴的資源，我們要把有限的CPU時間投入到更有意義的事情中去。

在我們進行嵌入式開發(fā)的過程中，你一定干過這幾件事：用GPIO模擬某種通信接口，比如SPI等；用空循環(huán)來實現(xiàn)延時delay；空等寄存器的關鍵狀態(tài)位。也許是出于無奈，比如所使用的芯片沒有硬件SPI或通道不夠，亦或者此時CPU除了空轉(zhuǎn)并沒有其它事情要作，但是我們一定要有這樣的意識：這是在浪費CPU資源。

CPU是嵌入式系統(tǒng)的核心，但是它不必深入?yún)⑴c到每一個細節(jié)中去。記住：CPU是片上所有硬件資源的統(tǒng)領者，而非事必躬親的苦力。我們要學會盡最大可能充分利用片上硬件資源，甚至在芯片外部擴展一些專門的硬件電路來完成功能設計。

本章振南將通過幾個實例來向大家說明如何減輕CPU負擔，而用片內(nèi)片外的硬件來實現(xiàn)我們想要的功能。

1. 石油測井儀器

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背景知識

在我的職業(yè)生涯中，有5年多的時間在作石油儀器。這是一個很傳統(tǒng)的行業(yè)，但也是非常綜合性和吃技術的行業(yè)。

有人說：“你這一章似乎要講的是CPU的利用率問題，怎么又講起石油儀器來了？”別急，振南自有用意。

上圖所示為石油測井系統(tǒng)的簡易拓撲示意圖。工作時測井車通過輪盤拉動鋼纜上提，與此同時儀器向外發(fā)射信號（電或超聲），并接收返回信號經(jīng)過計算將結(jié)果通過同軸以太網(wǎng)上傳到地面系統(tǒng)，由上位機繪制出曲線。最終曲線將交給解釋工程師，來判斷油氣儲層的位置。

上提的速度是一定的，我們當然希望在某一個深度上多采集一些數(shù)據(jù)，即盡量提高采樣率。這樣最終的測井曲線上就能體現(xiàn)出更多的細節(jié)。

OK，這就是最基本的原理和背景。

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測井數(shù)據(jù)采傳的實現(xiàn)

電路上比較清晰，下圖為測井儀器數(shù)據(jù)采傳原理框圖：

最直接的初級方案

最直接的方案是所有人都能想到的方案，就是采集、計算、發(fā)送按部就班的進行，如下圖所示。

每一個周期要作的事情就是：ADC采集一段波形，然后進行計算，主要是一些數(shù)字濾波、FFT、DPSD之類的數(shù)字信號處理，最終將結(jié)果數(shù)據(jù)按協(xié)議格式打包通過McBSP（TI DSP專有的通信接口）發(fā)送給同軸以太網(wǎng)通信模塊。我們當然希望這個周期越短越好，這需要將一些步驟優(yōu)化壓縮。

加入DMA的優(yōu)化方案

上面的方案，仔細看一下就會發(fā)現(xiàn)，它的所有操作都是需要CPU參與的，大量的時間都在等待外設。如何降低CPU的參與度，把其寶貴的時間不要浪費在空等上，而放在核心算法的計算上，如下圖所示：

我們首先由CPU參與完成一次波形采集，然后開始針對采集數(shù)據(jù)進行計算，因為涉及大量浮點數(shù)據(jù)的數(shù)字信號處理，所以計算過程會比較花時間，一次計算大約需要花費10ms。與此同時，我們適時的不斷啟動ADC轉(zhuǎn)換，在其轉(zhuǎn)換的時間間隙里進行計算，然后直接啟動SPI-DMA傳輸來讀取ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，而CPU不用去等DMA傳輸完成，可以利用DMA傳輸?shù)臅r間進行計算，最后回過頭來立即進行下一次計算，因為此時新的波形已經(jīng)準備好了。這樣，一個周期的時間可以壓縮到10ms，采樣率比原來提高了一倍。

振南是想通過這個實例來告訴大家：CPU的運行時間是寶貴的，將片上的硬件資源充分的利用起來將可以釋放出更多的CPU時間來作更有意義的事情。一些技巧和DMA的合理運用是行之有效的辦法。

其實很多時候能被用來發(fā)揮的硬件資源并不只限于片內(nèi)，我們自己設計一些簡單的片外電路加以輔助，有時候可以達到意想不到的效果，請往下看。

2. 巧驅(qū)攝像頭

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攝像頭時序分析

我知道很多人都對攝像頭模塊感興趣，想用單片機驅(qū)動一下試試效果，但是作成功的并不多，下圖為比較盛行的OV7670攝像頭模塊和模組：

究其原因有幾點：1、攝像頭CMOS芯片的時序較為復雜；2、SCCB通信及相關寄存器的配置；3、時序過快，而且是按其固有頻率主動輸出，難于捕捉和采集數(shù)據(jù)。

它的時序有多快，我們來看下圖所示的OV7670的時序圖：

OV7670在VGA模式下可達到的最高幀率30fps，即每秒鐘產(chǎn)生30幀640X480尺寸的圖像。從官方資料上得知VGA模式下實際輸出的行數(shù)為510，每行輸出的像素數(shù)為784（多出來的行數(shù)與像素數(shù)是多余的，其數(shù)據(jù)是無效的，我們只關注HREF為高電平期間的像素數(shù)據(jù)）。這樣，PCLK的時鐘周期為1/（30510784*2）=41.7ns。想要用一般單片機的GPIO來直接采集像素數(shù)據(jù)，幾乎是不可能的，因為IO與CPU的速度都不夠快。

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使用DCMI+DMA

要讀取攝像頭如此高速的數(shù)據(jù)，必須要有專門的硬件。我們可以選用ST的STM32F4系列單片機，它內(nèi)置了DCMI（數(shù)字攝像頭模塊接口），使用它將可以很輕松的完成圖像獲取的功能。它要配合DMA來工作，如下圖示：

DCMI獲取攝像頭數(shù)據(jù)，可以通過DMA直接將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部RAM或外部的SDRAM，甚至直接寫入到TFT中，實現(xiàn)圖像的實時動態(tài)顯示。而在整個過程中，CPU只不過在作一些配置性的工作，并沒有參與圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸。所以，用高端芯片會使我們的開發(fā)工作如虎添翼，事半功倍。就是因為它有更強大的硬件外設來為我們完成特定的功能實現(xiàn)。當然，更強大的硬件也意味著更多的學習成本，我們需要仔細學習如何正確的使用它來達到想要的效果。

有些時候，硬件外設電路甚至比CPU內(nèi)核更復雜，比如有些多媒體編解碼SOC，CPU內(nèi)核只是51或M0，片上更大的面積是諸如H.264之類的編解碼電路。所以，作嵌入式開發(fā)的工程師，首先要充分了解自己手上有哪些硬件資源，而不要所有功能都純依靠CPU來實現(xiàn)。

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自搭外部電路

本節(jié)的名字是“巧驅(qū)攝像頭”，上面所介紹的方案都不算不上一個“巧”字。上述方案中必須要求單片機有DCMI之類的專用硬件，那不用DCMI可不可以？比如拿普通的51或低端的M0單片機，可不可以實現(xiàn)對攝像頭的驅(qū)動。答案是肯定的，不過這需要我們在外部電路上作些手腳，如下圖所示為通過片外并行FIFO+時序調(diào)理實現(xiàn)圖像采集：

配合下面的流程圖，大家就知道其巧妙之處了，如下圖所示為通過片外并行FIFO實現(xiàn)一幀數(shù)據(jù)的獲取：

程序按上圖描述的邏輯運行之后，一幀圖像就存到FIFO中了。此時單片機可以慢慢從讀取端（并行FIFO分為寫入端與讀取端，分別對應的有寫指針與讀指針）讀到圖像數(shù)據(jù)了。這樣CPU和IO的速度就再也不是瓶頸。通過這樣的機制，任何單片機都可以輕松實現(xiàn)圖像采集了。

在此過程中，CPU都干了什么？似乎只有等待幀同步信號VSYNC和操作幾個IO。這種方式比DCMI+DMA更省CPU（DMA實際上會占用一半的片內(nèi)數(shù)據(jù)總線帶寬，使CPU的運行效率降低），而且更靈活，對單片機硬件的依賴更小。

3. 單片機巧驅(qū)7寸大液晶屏

通過上面幾個實例，大家應該知道振南所謂“巧驅(qū)”的路數(shù)了吧，對，就是多讓硬件說話，我們要作“軟硬兼施”的工程師。

OK，如果我問大家：“我能用51或M0單片機，驅(qū)動7寸大屏液晶（800*480），如圖6.10，并且流暢播放視頻，你信不信？”你一定會說：“不太可能吧，刷屏速率不夠。”但我既然這么問，那振南一定是已經(jīng)實現(xiàn)了，這里我就把實現(xiàn)過程給大家講一下。

先來看原理圖，下圖為巧驅(qū)7寸液晶屏原理圖之MCU部分：

下圖為巧驅(qū)7寸液晶屏原理圖之74HC595串轉(zhuǎn)并部分：

下圖為巧驅(qū)7寸液晶屏原理圖之八8進制計數(shù)與時序調(diào)理部分：

下圖為巧驅(qū)7寸液晶屏原理圖之spiFlash與7寸TFT接口部分：

基本的實現(xiàn)邏輯如圖6.15所示。

仔細觀察上面的原理圖與邏輯框圖，估計很多人已經(jīng)明白了振南的意思，振南再給出配套的流程圖，邏輯就更清晰了，如下圖所示：

兩片74HC595用于將16位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行，與TFT液晶的16位數(shù)據(jù)接口相連。74HC595的串行數(shù)據(jù)輸入同時與MCU的兩個GPIO以及spiFlash的兩個串行數(shù)據(jù)端口相連。當spiFlash失能時（即CS置高），其數(shù)據(jù)端口呈現(xiàn)高阻，此時74HC595可由MCU操作；而當MCU的GPIO設置為高阻時，兩片74HC595可分別接收來自spiFlash的雙位串行數(shù)據(jù)。這樣的復用設計，可以使MCU對TFT液晶進行預先的初始化，使其工作在純像素數(shù)據(jù)寫入的模式；而在高速數(shù)據(jù)寫入的階段，MCU退出而讓TFT接收來自spiFlash的數(shù)據(jù)。

兩片74HC595實現(xiàn)串轉(zhuǎn)并的要點在于LC鎖存信號的產(chǎn)生，每產(chǎn)生8個SCK脈沖，則自動產(chǎn)生一個LC上上升沿，這是時序生成與理調(diào)邏輯的一部分。實現(xiàn)的根本在于74HC161與74HC27的組合運用，如圖6.13。首先對74HC161復位清零，此時[Q2:Q0]=000，74HC27是三輸入或非門，其輸出1Y，即595-LC為1；時鐘的輸入后[Q2:Q0]隨之自增001、010 …… 在000之前595-LC均為0，而8個時鐘之后，595-LC將變?yōu)?，即產(chǎn)生了上升沿。這里振南給595-LC增加了兩級74HC1G32作為緩沖，為的是增加一些延時，以使74HC595的存鎖數(shù)據(jù)輸出更穩(wěn)定。

然后是液晶的WR信號的產(chǎn)生：從圖6.12中可以看到，WR信號是一個GPIO與八位計數(shù)器輸出最高位Q2的或非非（沒錯，是或非非）。當Q2為0時，WR受控于GPIO，此時可用于MCU對TFT預先進行初始化操作。當GPIO為0時，WR受控于Q2，每8個時鐘會產(chǎn)生一個下降沿（前面那個或非非是為了推遲一下這個下降沿，以使16位并行數(shù)據(jù)寫入液晶更穩(wěn)定），并維持4個時鐘周期。

基本的要點已經(jīng)描述清楚了。至于時鐘的產(chǎn)生，唯一的要求是要產(chǎn)生特定數(shù)量的時鐘，而不能是連續(xù)不斷的。比如一幀圖像的數(shù)據(jù)量為800*480半字，我們要輸出3072000個時鐘才能讓一幀圖像顯示到液晶上。所以我們不能用MCO或者是PWM，而要用SPI，如果是8位SPI，要寫384000次，如果是16位SPI，則要寫192000次。當然，為了節(jié)省更多的CPU資源，我們可以使用DMA。當時鐘不斷的產(chǎn)生，一幀幀的圖像顯示到液晶上時，視頻就流暢的播放出來了。

我曾經(jīng)把我這個“巧驅(qū)大屏”的實驗講給了我的同事聽，他們在贊嘆的同時，還說：“你不作FPGA真是浪費了！”其實我是作過一段時間的FPGA的，那還是在2007年在Intel中國研究院實習工作的時候。

好了，本章用3個實例闡述了本章最開頭的那句話：CPU時間是寶貴的，我們要把有限的CPU時間投入到更有意義的事情中去。

實際開發(fā)中，充分地利用硬件資源，自行靈活擴展一些硬件電路，通常可以達到意想不到的效果，甚至可以化不可能為可能。

永遠記住：我們很多時候作的是嵌入式軟件的工作，但歸根結(jié)底我們搞的還是硬件。

審核編輯：湯梓紅