CPU運(yùn)行時(shí)間是寶貴的資源，我們要把有限的CPU時(shí)間投入到更有意義的事情中去。

在我們進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，你一定干過(guò)這幾件事：用GPIO模擬某種通信接口，比如SPI等；用空循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)delay；空等寄存器的關(guān)鍵狀態(tài)位。也許是出于無(wú)奈，比如所使用的芯片沒(méi)有硬件SPI或通道不夠，亦或者此時(shí)CPU除了空轉(zhuǎn)并沒(méi)有其它事情要作，但是我們一定要有這樣的意識(shí)：這是在浪費(fèi)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(gè)細(xì)節(jié)中去。記住：CPU是片上所有硬件資源的統(tǒng)領(lǐng)者，而非事必躬親的苦力。我們要學(xué)會(huì)盡最大可能充分利用片上硬件資源，甚至在芯片外部擴(kuò)展一些專(zhuān)門(mén)的硬件電路來(lái)完成功能設(shè)計(jì)。

本章振南將通過(guò)幾個(gè)實(shí)例來(lái)向大家說(shuō)明如何減輕CPU負(fù)擔(dān)，而用片內(nèi)片外的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)我們想要的功能。

1. 石油測(cè)井儀器

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背景知識(shí)

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

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

上圖所示為石油測(cè)井系統(tǒng)的簡(jiǎn)易拓?fù)涫疽鈭D。工作時(shí)測(cè)井車(chē)通過(guò)輪盤(pán)拉動(dòng)鋼纜上提，與此同時(shí)儀器向外發(fā)射信號(hào)（電或超聲），并接收返回信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算將結(jié)果通過(guò)同軸以太網(wǎng)上傳到地面系統(tǒng)，由上位機(jī)繪制出曲線(xiàn)。最終曲線(xiàn)將交給解釋工程師，來(lái)判斷油氣儲(chǔ)層的位置。

上提的速度是一定的，我們當(dāng)然希望在某一個(gè)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(cè)井曲線(xiàn)上就能體現(xiàn)出更多的細(xì)節(jié)。

OK，這就是最基本的原理和背景。

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測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)采傳的實(shí)現(xiàn)

電路上比較清晰，下圖為測(cè)井儀器數(shù)據(jù)采傳原理框圖：

最直接的初級(jí)方案

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

每一個(gè)周期要作的事情就是：ADC采集一段波形，然后進(jìn)行計(jì)算，主要是一些數(shù)字濾波、FFT、DPSD之類(lèi)的數(shù)字信號(hào)處理，最終將結(jié)果數(shù)據(jù)按協(xié)議格式打包通過(guò)McBSP（TI DSP專(zhuān)有的通信接口）發(fā)送給同軸以太網(wǎng)通信模塊。我們當(dāng)然希望這個(gè)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(xì)看一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它的所有操作都是需要CPU參與的，大量的時(shí)間都在等待外設(shè)。如何降低CPU的參與度，把其寶貴的時(shí)間不要浪費(fèi)在空等上，而放在核心算法的計(jì)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(kāi)始針對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)樯婕按罅扛↑c(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)處理，所以計(jì)算過(guò)程會(huì)比較花時(shí)間，一次計(jì)算大約需要花費(fèi)10ms。與此同時(shí)，我們適時(shí)的不斷啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換，在其轉(zhuǎn)換的時(shí)間間隙里進(jìn)行計(jì)算，然后直接啟動(dòng)SPI-DMA傳輸來(lái)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(shí)間進(jìn)行計(jì)算，最后回過(guò)頭來(lái)立即進(jìn)行下一次計(jì)算，因?yàn)榇藭r(shí)新的波形已經(jīng)準(zhǔn)備好了。這樣，一個(gè)周期的時(shí)間可以壓縮到10ms，采樣率比原來(lái)提高了一倍。

振南是想通過(guò)這個(gè)實(shí)例來(lái)告訴大家：CPU的運(yùn)行時(shí)間是寶貴的，將片上的硬件資源充分的利用起來(lái)將可以釋放出更多的CPU時(shí)間來(lái)作更有意義的事情。一些技巧和DMA的合理運(yùn)用是行之有效的辦法。

其實(shí)很多時(shí)候能被用來(lái)發(fā)揮的硬件資源并不只限于片內(nèi)，我們自己設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的片外電路加以輔助，有時(shí)候可以達(dá)到意想不到的效果，請(qǐng)往下看。

2. 巧驅(qū)攝像頭

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攝像頭時(shí)序分析

我知道很多人都對(duì)攝像頭模塊感興趣，想用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)：1、攝像頭CMOS芯片的時(shí)序較為復(fù)雜；2、SCCB通信及相關(guān)寄存器的配置；3、時(shí)序過(guò)快，而且是按其固有頻率主動(dòng)輸出，難于捕捉和采集數(shù)據(jù)。

它的時(shí)序有多快，我們來(lái)看下圖所示的OV7670的時(shí)序圖：

OV7670在VGA模式下可達(dá)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(shí)際輸出的行數(shù)為510，每行輸出的像素?cái)?shù)為784（多出來(lái)的行數(shù)與像素?cái)?shù)是多余的，其數(shù)據(jù)是無(wú)效的，我們只關(guān)注HREF為高電平期間的像素?cái)?shù)據(jù)）。這樣，PCLK的時(shí)鐘周期為1/（30510784*2）=41.7ns。想要用一般單片機(jī)的GPIO來(lái)直接采集像素?cái)?shù)據(jù)，幾乎是不可能的，因?yàn)镮O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(zhuān)門(mén)的硬件。我們可以選用ST的STM32F4系列單片機(jī)，它內(nèi)置了DCMI（數(shù)字?jǐn)z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(lái)工作，如下圖示：

DCMI獲取攝像頭數(shù)據(jù)，可以通過(guò)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(xiě)入到TFT中，實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示。而在整個(gè)過(guò)程中，CPU只不過(guò)在作一些配置性的工作，并沒(méi)有參與圖像數(shù)據(jù)采集和傳輸。所以，用高端芯片會(huì)使我們的開(kāi)發(fā)工作如虎添翼，事半功倍。就是因?yàn)樗懈鼜?qiáng)大的硬件外設(shè)來(lái)為我們完成特定的功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，更強(qiáng)大的硬件也意味著更多的學(xué)習(xí)成本，我們需要仔細(xì)學(xué)習(xí)如何正確的使用它來(lái)達(dá)到想要的效果。

有些時(shí)候，硬件外設(shè)電路甚至比CPU內(nèi)核更復(fù)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(lèi)的編解碼電路。所以，作嵌入式開(kāi)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(lái)實(shí)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(gè)“巧”字。上述方案中必須要求單片機(jī)有DCMI之類(lèi)的專(zhuān)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(jī)，可不可以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的驅(qū)動(dòng)。答案是肯定的，不過(guò)這需要我們?cè)谕獠侩娐飞献餍┦帜_，如下圖所示為通過(guò)片外并行FIFO+時(shí)序調(diào)理實(shí)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(guò)片外并行FIFO實(shí)現(xiàn)一幀數(shù)據(jù)的獲取：

程序按上圖描述的邏輯運(yùn)行之后，一幀圖像就存到FIFO中了。此時(shí)單片機(jī)可以慢慢從讀取端（并行FIFO分為寫(xiě)入端與讀取端，分別對(duì)應(yīng)的有寫(xiě)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(guò)這樣的機(jī)制，任何單片機(jī)都可以輕松實(shí)現(xiàn)圖像采集了。

在此過(guò)程中，CPU都干了什么？似乎只有等待幀同步信號(hào)VSYNC和操作幾個(gè)IO。這種方式比DCMI+DMA更省CPU（DMA實(shí)際上會(huì)占用一半的片內(nèi)數(shù)據(jù)總線(xiàn)帶寬，使CPU的運(yùn)行效率降低），而且更靈活，對(duì)單片機(jī)硬件的依賴(lài)更小。

3. 單片機(jī)巧驅(qū)7寸大液晶屏

通過(guò)上面幾個(gè)實(shí)例，大家應(yīng)該知道振南所謂“巧驅(qū)”的路數(shù)了吧，對(duì)，就是多讓硬件說(shuō)話(huà)，我們要作“軟硬兼施”的工程師。

OK，如果我問(wèn)大家：“我能用51或M0單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)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(huì)說(shuō)：“不太可能吧，刷屏速率不夠。”但我既然這么問(wèn)，那振南一定是已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，這里我就把實(shí)現(xiàn)過(guò)程給大家講一下。

先來(lái)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(jìn)制計(jì)數(shù)與時(shí)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(shí)現(xiàn)邏輯如圖6.15所示。

仔細(xì)觀察上面的原理圖與邏輯框圖，估計(jì)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(shí)與MCU的兩個(gè)GPIO以及spiFlash的兩個(gè)串行數(shù)據(jù)端口相連。當(dāng)spiFlash失能時(shí)（即CS置高），其數(shù)據(jù)端口呈現(xiàn)高阻，此時(shí)74HC595可由MCU操作；而當(dāng)MCU的GPIO設(shè)置為高阻時(shí)，兩片74HC595可分別接收來(lái)自spiFlash的雙位串行數(shù)據(jù)。這樣的復(fù)用設(shè)計(jì)，可以使MCU對(duì)TFT液晶進(jìn)行預(yù)先的初始化，使其工作在純像素?cái)?shù)據(jù)寫(xiě)入的模式；而在高速數(shù)據(jù)寫(xiě)入的階段，MCU退出而讓TFT接收來(lái)自spiFlash的數(shù)據(jù)。

兩片74HC595實(shí)現(xiàn)串轉(zhuǎn)并的要點(diǎn)在于LC鎖存信號(hào)的產(chǎn)生，每產(chǎn)生8個(gè)SCK脈沖，則自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)LC上上升沿，這是時(shí)序生成與理調(diào)邏輯的一部分。實(shí)現(xiàn)的根本在于74HC161與74HC27的組合運(yùn)用，如圖6.13。首先對(duì)74HC161復(fù)位清零，此時(shí)[Q2:Q0]=000，74HC27是三輸入或非門(mén)，其輸出1Y，即595-LC為1；時(shí)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(gè)時(shí)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(jí)74HC1G32作為緩沖，為的是增加一些延時(shí)，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(hào)的產(chǎn)生：從圖6.12中可以看到，WR信號(hào)是一個(gè)GPIO與八位計(jì)數(shù)器輸出最高位Q2的或非非（沒(méi)錯(cuò)，是或非非）。當(dāng)Q2為0時(shí)，WR受控于GPIO，此時(shí)可用于MCU對(duì)TFT預(yù)先進(jìn)行初始化操作。當(dāng)GPIO為0時(shí)，WR受控于Q2，每8個(gè)時(shí)鐘會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿（前面那個(gè)或非非是為了推遲一下這個(gè)下降沿，以使16位并行數(shù)據(jù)寫(xiě)入液晶更穩(wěn)定），并維持4個(gè)時(shí)鐘周期。

基本的要點(diǎn)已經(jīng)描述清楚了。至于時(shí)鐘的產(chǎn)生，唯一的要求是要產(chǎn)生特定數(shù)量的時(shí)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(gè)時(shí)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(xiě)384000次，如果是16位SPI，則要寫(xiě)192000次。當(dāng)然，為了節(jié)省更多的CPU資源，我們可以使用DMA。當(dāng)時(shí)鐘不斷的產(chǎn)生，一幀幀的圖像顯示到液晶上時(shí)，視頻就流暢的播放出來(lái)了。

我曾經(jīng)把我這個(gè)“巧驅(qū)大屏”的實(shí)驗(yàn)講給了我的同事聽(tīng)，他們?cè)谫潎@的同時(shí)，還說(shuō)：“你不作FPGA真是浪費(fèi)了！”其實(shí)我是作過(guò)一段時(shí)間的FPGA的，那還是在2007年在Intel中國(guó)研究院實(shí)習(xí)工作的時(shí)候。

好了，本章用3個(gè)實(shí)例闡述了本章最開(kāi)頭的那句話(huà)：CPU時(shí)間是寶貴的，我們要把有限的CPU時(shí)間投入到更有意義的事情中去。

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

永遠(yuǎn)記住：我們很多時(shí)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