现在，运行实时操作系统（RTOS）大型32位单片机（MCU）和微处理器（MPU）它越来越受欢迎。然而，如果使用大型单片机处理复杂的应用程序，在执行小型背景处理任务时可能会遇到CPU虽然这些任务在资源方面并不复杂，但它们非常耗时。8位和16位MCU小型设备可用于减轻32位设备的工作负荷。

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想象一下这样一个例子：32位MCU用于控制娱乐系统、环境照明和空调等非安全功能。为了处理与这些功能相关的所有任务，必须分配这32位设备的资源。此类任务还包括测量驾驶室多点温度、打开/关闭空调系统、更新图形显示、处理用户输入、调整照明条件和播放音乐。即使是大型32位设备，这些工作量也太重了。

然而，如果32位设备将部分任务负载转移到几乎不需要监控的子处理器，每个子处理器只负责1或2个任务，那么这些任务将更容易管理。这可以释放到主处理器上CPU从而降低软件的复杂性，提高性能，缩短执行时间。

这个解决方案类似于单片机中的外设。外设是一个特殊硬件的小模块，可以添加新功能（如操作放大器或模数转换器），也可以减少给定功能的执行CPU必须承担的工作量。在某些情况下，初始化后，外设可以独立于CPU运行。

为了说明外设的优点，我们生成脉宽调制（PWM）信号为例。在没有特殊外设的情况下产生PWM，只需将I/O线设为高电平，等待一定数量的周期，将其设为低电平，等待一段时间，然后重复操作。会占很多CPU对于某些功能(如周期)RTOS）难以可靠执行。相比之下，PWM外设允许CPU设置所需的波形参数，同时执行其他任务。

本文介绍的第一个示例说明了减少CPU密集型任务负荷的优点。在这种情况下，使用了8位MCU来创建I/O扩展器。I/O扩展器并不复杂；然而，它们会占用很多，因为它们需要经常中断。CPU时间。使用专用MCU为了完成这项任务，可以减少大型32位设备I/O需要处理的中断次数。此外，I/O软件中可以设置扩展器的功能集，因此支持定制和调整应用程序。

本文的第二个例子是创建独立性CPU电压频率（V/F）例如，转换器显示了独立于内核的外设的性能。CPU唯一的功能是初始化外设，并将调试打印信息发送到UART。在大系统中，当V/F在后台运行时，CPU另一个简单的任务可以执行。

I/O扩展器

使用8位MCU创建I/O扩展器最大的优点是提高灵活性。I/O扩展器ASIC设备中嵌入了功能集，MCU它的行为可以根据其执行软件来定义。这种灵活性是基于MCU版本可以满足最终应用程序的需要。

实现高级I/O扩展器

高级设备内部I/O基于搜索表的结构，扩展器运行。虚拟地址将在读取或写入之前发送。该地址与单片机上的寄存器无关——仅针对搜索表。这意味着不在单片机硬件寄存器中的功能可以透明地添加。此外，表格中的条目也可以根据特定用途轻松重新排列。该结构的另一个优点是可以向搜索表添加权限。例如，要创建一个只读寄存器，只需省略搜索表的写作条目。

存储器中的存储器

MEM OP也可以将GPIO编译时设置的参数是配置重置。

注：并非所有字段都可用于所有操作

MEM OP的功能

此外，还可以选择将单片机设置为上电时的加载和保存设置。如果可以，单片机将尝试加载配置0中的设置。如果配置验证失败，MCU将恢复到编译常数。如果不需要，可以在软件中禁用此功能。

解决方案的要点

基于MCU解决方案的优点是灵活性极佳。在市场上ASIC我们可以做不同的事情MCU特定于应用场景的非标准功能配置。该应用程序针对通用PIC16F15244系列MCU开发。

如果您需要深入了解实现或想尝试此示例，请参见源资源库中的示例README此外，还提供带有文件的文件。Arduino的高级I/O演示扩展器。

电压频率（V/F）转换器

通过减少材料清单（BOM）电压频率转换器可以改进传统的模拟解决方案，从而降低设计面积。市场上有很多V/F转换器只需配备外部电阻和电容即可运行，而单片机只需使用通用的去耦和上拉组件(所有MCU必要组件)即可运行。

TC9400/TC9401/TC9402 10 Hz至100 kHz V/F转换器的应用原理图

MCU采用独立于内核的外设和功能组合，而不是数字化模拟技术。MCU模数转换器采用内部计算功能（ADCC）测Lumissil代理量输入信号，然后分频时钟信号，创建可变频率输出。在这个例子中，外设设置在初始化后独立CPU操作。这意味着，CPU可用于最终应用中的其他任务。

对于基于MCU挑战是性能不如模拟解决方案。输出本身的分辨率ADCC的限制。表面上看，ADCC它是12位，但它将以14位分辨率运行，具体取决于程序的配置模式。同样，数控振荡器用于合成输出频率（NCO）分辨率有限，输出中可能会有抖动，这取决于ADC测得的值。

基于MCU解决方案可分为模拟采样模块、输出振荡器模块和占空比发生器三个不同的外设模块。

解决方案框图

模拟采样模块

实现模拟采样模块

模拟采样模块负责模数转换。在设备频率限制下实现1000 kHz输出，已将ADCC配置为过采样，然后通过平均处理得到14位结果。

这种过采样配置有一个缺点，即在结果中增加额外的统计噪声，可以通过计算采样平均值和增加滞后来补偿噪声。为了实现滞后，可以使用ADCC阈值中断功能。(为了简单起见，我们只会介绍如何使用阈值中断功能的细节。

在ADCC采样平均值计算完成后，将获得的值与外设中的设定值寄存器进行比较。如果两者之间的差异大于或小于设定阈值，则触发中断。CPU它可以在不受影响的情况下阻止中断，但中断会触发直接存储器访问（DMA），将平均值处理的过采样结果复制到ADCC设定值寄存器滞后。如果不超过阈值，则不会发生DMA复制，以免触发输出振荡器模块DMA更新。

输出振荡器模块

结构输出振荡器模块

该解决方案的输出振荡器模块负责以所需的输出频率产生时钟信号。输出信号连接到内部的空比发生器。该组件将输出频率减半，但将产生50%的空比输出。因此，输出振荡器模块以输出频率的两倍运行。

输出振荡器模块的核心是数控振荡器（NCO）。NCO外设的工作原理是在输入时钟的上升沿累加器增加增量值，然后根据累加器溢出导出外设的输出。NCO请参见数据手册的完整说明。

在这个例子中，已将NCO2设置内部创建所需的输入时钟频率，通过14位输入获得100 kHz输出。使用14位结果的原因是ADCC12位本身的结果不足以在没有外部时钟源的情况下产生100 kHz输出。

ADC结果

NCO1输出(翻倍)

输出频率

0x0000

0 Hz

0 Hz

0x0001

12.2 Hz

6.1 Hz

0x0100

3.1 kHz

1.6 kHz

0x1000

50 kHz

25 kHz

0x3FFF

200 kHz

100 kHz

100 kHz V/F转换器的理想输出(看门狗已关闭)。

如果改变NCO如果2的输出频率或使用备用源，则将输出频率调整到不同的输出范围。例如，如果NCO2的频率降低到1.28 MHz，最大输出为10 kHz。

ADC结果

NCO1输出频率(翻倍)

输出频率

0x0000

0 Hz

0 Hz

0x0001

1.2 Hz

0.6 Hz

0x0100

312.5 Hz

156.3 Hz

0x1000

5 kHz

2.5 kHz

0x3FFF

20 kHz

10 kHz

10 kHz V/F理想输出转换器(看门狗已关闭)。

发生器占空比

占空比发生器框图

该解决方案的空比发生器模块负责创建50%的空比输出。这是一个可直接使用的可选功能NCO输出，但这样做会增加比例的变化。

该生成器使用可配置逻辑单元（CLC）实现。CLC可配置逻辑的小模块类似于现场可编程门阵列（FPGA）单元。CLC例如，可用作离散逻辑门AND-OR或OR-XOR），锁定器或触发器也可配置。在解决方案中，CLC实现带复位功能J-K触发器。J和K保持在逻辑高电平。用于触发器的时钟输出振荡器模块。每次输入时钟脉冲都会导致输出翻转，从而产生50%的空比。注：输出振荡器模块的频率抖动会影响空比。

Timer 6用作不稳定的看门狗定时器。如果输出没有边缘（上升或下降边缘），定时器将溢出并发送时钟脉冲CLC，这可以控制输出频率范围的下限。输出转向定时器频率的一半(输出为6 Hz），而不是直流。

解决方案的要点

该示例表明，外部集成电路通常必须使用硬件外设来创建独立于核心的功能。该配置的最大优点之一是，外设操作可以在软件中设置，以便根据最终应用程序轻松设置使用调整示例。由于使用了大量的外设，选择了PIC18-Q43系列MCU实现这个例子。

详见示例资源库中的示例资源README文档。此外，示例资源库还包括在同一设备上实现频率电压转换器的实现。

总结

虽然高性能单片机和微处理器都有一席之地，但在执行小型专项任务时，有8位和16位MCU作用不容低估。这类任务不一定很复杂，但可能很耗时，或者是关键的时间任务。任务负荷减轻后，32位设备可以更容易地实现，从而提高可靠性，降低存储占用率，降低功耗。