【转载】浅谈嵌入式MCU开发中的三个常见误区

浅谈嵌入式MCU开发中的三个常见误区

原创 2017-09-30 胡恩伟 汽车电子expert成长之路

目录

 

嵌入式MCU与MPU的区分

误区一：MCU的程序都是存储在片上Flash上，然后拷贝到RAM中执行的

误区二：工程编译生成的下载文件大小即为最终占用Flash的大小

误区三：用户应用工程的编译结果建议不能超过MCU片上Flash的80%

 

嵌入式MCU与MPU的区分

 

  嵌入式系统中的处理器按照是否集成片上Flash和RAM可以分为MCU(MicroControl Unit—微控制器)和MPU(MicroProcess Unit—微处理器)。典型的MCU如Freescale S08、S12和MPC56xx以及8051单片机等，而典型的MPU如基于ARMCortex A系列内核的i.MX系列处理器：

 

  本文中的观点针对仅针对嵌入式MCU，也就是我们常说的单片机。其为单芯片集成解决方案—片上集成了嵌入式系统工作所需的逻辑计算内核CPU，存储数据/代码的RAM，EEPROM和Flash，内部互联总线—Crossbar、AMBA(APB、AHB以及AXIbus)，定时器资源(Timer)、中断控制器(INTC，通用输入输出接口(GPIO)，模拟数字转换模块—ADC、DAC和ACMP，段码LCD控制器、TFTLCD控制器，步进电机驱动(SMC)，通信接口/控制器—I2C、SPI、UART/SCI、CAN、SDIO/eMMC、以太网MAC等；当然，MPU中也会集成很多嵌入式系统工作所需的大部分片上外设，但因为其计算单元CPU内核运行速度非常快，所以其一般不会再片内集成系统工作所需的RAM和Flash存储器，而是集成SDR/DDR2/3/4等外部SRAM扩展接口和NAND/NOR Flash扩展接口，用户设计基于MPU的硬件系统时还需选择合适的SRAM和外部Flash才可以保证系统正常工作。

 

当然还有我们常说的CPU(CentralProcess Unit—中央处理器)，常见PC上所使用的Intel的x86处理器，比如奔腾、至强、酷睿i3/i5/i7系列等，其片上只集成了中央计算内核单元CPU，少量的一级/二级/三级缓存以及GPU，但不包含中断控制器、定时器等，它需要通过主板进行扩展，更不包含存储器，需要用户在主板上外界DDR内存条和Flash硬盘。

 

按照内核的运行速度和片上集成外设资源的丰富程度以及功耗，MCU、MPU和CPU的对比分布如下：

 

误区一：MCU的程序都是存储在片上Flash上，然后拷贝到RAM中执行的

 

很多刚接触MCU的人受学校老师讲授计算机硬件和C语言课程时一些观点的影响，认为MCU中程序都是存储在片上Flash上，然后拷贝到RAM中执行的，这其实是错误。原因如下：

 

1. MCU的片上RAM资源和Flash存储器相比一般都比较小，其比例大概为1:16到1：5，其不可能将存储在Flash中的程序代码全部拷贝到片上RAM中；

以下为Freescale S12G系列、S12XE系列以及MPC574xB/C/D/G系列MCU的片上RAM和Flash存储器资源的对比：

 

2. 在嵌入式MCU中内核CPU的工作频率一般为总线频率的两倍(S08和S12(X)系列MCU的内核CPU工作频率固定为总线工作频率的2倍)或者相等(PowerPC MPC560x系列)，而挂到Flash的指令/数据总线宽度一般与CPU位宽的1~2倍，虽然Flash的访问频率比较低(几MHz到数十MHz，一般不超过100MHz)，而嵌入式MCU内核CPU的运行频率也不高，在300MHz以内，所以总线每次可以从Flash取出2~4条指令(PS：当PowerPC e200内核使用VLE指令集时，大多数指令都为16位长度，若指令/数据总线宽度为64位宽，则一次可以读出4条VLE指令)，从而弥补与内核CPU运行速度的差距，保证在硬件物理上实现在Flash取值执行嵌入式MCU程序是没有问题的。

    

以下为NXP MPC5744P的内部Cross Bar总线互联框图，其指令和数据总线均为64位宽：

 

3. 在嵌入式MCU的硬件设计上没有自动将Flash程序提前拷贝到RAM的机制，在软件设计上也没有相应的代码执行这个拷贝工作--这样的拷贝过程无疑会造成内核CPU资源的浪费，代码搬移的过程总内核CPU无法处理其他任务；(除非是在开发嵌入式MCU的BootLoader时，需要对片上Flash进行擦除和编程，而大多数嵌入式MCU片上都只有一个Flash块(block/partion), 不支持read-while-read操作，所以需要将Flash驱动程序事先拷贝到RAM然后调用—事实上，只需要将Flash擦除和编程命令的launch语句和查询等待命令完成的程序拷贝到RAM执行即可。程序的执行至少包含取指à译码à执行三个环节，其中取指就是从存储器中读出指令，需要访问Flash/RAM）

 

4. 通过调试嵌入式MCU，在CPU寄存器窗口查看程序运行时PC寄存器的值也可以验证嵌入式MCU程序默认运行时就是在Flash本地执行的、即存储地址与运行时地址相同；

 

由于S12XE系列MCU的Flash分页访问机制，地址0xFE8029其实是其Flash的Page_FE的逻辑地址，对应的Flash物理地址(也称作全局地址--GlobalAddress)为0x7F8029；

 

误区二：工程编译生成的下载文件大小即为最终占用Flash的大小

 

很多工程师判断一个嵌入式MCU应用工程的编译结果大小往往看工程编译生成的HEX/S19/BIN等下载文件(Flash编程文件)的大小，认为工程编译生成的下载文件大小即为最终占用Flash的大小，这是不正确的。

 

因为在HEX/S19/BIN等Flash编程文件往往还包含了编译器版本信息，工程配置信息，每行数据/代码的存储地址，长度、校验和以及整个工程的复位运行地址等非常丰富的信息。因为只有具备了这些信息，编程器才找到将编译结果中的数据和代码烧写到Flash/EEPROM存储器的具体地址并保证数据/代码的完整性，通过每一行和整个文件的校验(Verify)来保证整个编程过程的正确完整。

 

以下以Motorola的S19文件(也称为S-Record)格式进行说明：

S-record每行最大是78个字节，156个字符

S-record 格式如下：

type

count

address

data

checksum

其中：

type(类型)：2个字符。用来描述记录的类型 (S0，S1，S2，S3，S5，S7，S8，S9)。

count(计数)：2个字符。 用来组成和说明了一个16进制的值，显示了在记录中剩余成对字符的计数。

address(地址)：4或6或8个字节。用来组成和说明了一个16进制的值，显示了数据应该装载的地址， 这部分的长度取决于载入地址的字节数。2个字节的地址占用4个字符，3个字节的地址占用6个字符，4个字节的地址占用8个字符。

data(数据)：0—64字符。用来组成和说明一个代表了内存载入数据或者描述信息的16进制的值。

checksum(校验和)：2个字符。这些字符当被配对并换算成16进制数据的时候形成了一个最低有效字符节，该字符节用来表达作为补充数据，地址和数据库的字符对所代表的（字节的）补码的byte总和。即计数值、地址场和数据场的若干字符以两个字符为一对，将它们相加求和，和的溢出部分不计，只保留最低两位字符NN，checksum=0xFF-0xNN。

 

S0 Record：记录类型是“S0” (0x5330)。地址场没有被用，用零置位(0x0000)。数据场中的信息被划分为以下四个子域：

     name(名称)：20个字符，用来编码单元名称

      ver(版本)：2个字符，用来编码版本号

      rev(修订版本)：2个字符，用来编码修订版本号

      description(描述)：0-36个字符，用来编码文本注释

此行表示程序的开始，不需烧入memory。

S1 Record：记录类型是“S1” (0x5331)。地址场由2个字节地址来说明。数据场由可载入的数据组成。

S2 Record：记录类型是“S2” (0x5332)。地址场由3个字节地址来说明。数据场由可载入的数据组成。

S3 Record：记录类型是“S3” (0x5333)。地址场由4个字节地址来说明。数据场由可载入的数据组成。

S5 Record：记录类型是“S5” (0x5335)。地址场由2字节的值说明，包含了先前传输的S1、S2、S3记录的计数。没有数据场。

S7 Record：记录类型是“S7” (0x5337)。地址场由4字节的地址说明，包含了开始执行地址。没有数据场。此行表示程序的结束，不需烧入memory。

S8 Record：记录类型是“S8” (0x5338)。地址场由3字节的地址说明，包含了开始执行地址。没有数据场。此行表示程序的结束，不需烧入memory。

S9 Record：记录类型是“S9” (0x5339)。地址场由2字节的地址说明，包含了开始执行地址。没有数据场。此行表示程序的结束，不需烧入memory。

 

 一个具体的S12XEP100的CodeWarrior5.2工程编译后S19文件的大小为6KB，而实际占用Flash的大小只有2445个字节，远小于S19文件的大小，所以判断一个应用工程编译结果所占Flash和RAM的大小，应该看MAP文件中的统计结果，而非S19文件的大小：

 

  或者以IDE(比如CodeWarrior 10.6或者S32DS)的Print Size工具从控制台(console)打印出来的text + data来判断，下面是一个具体的MPC5748G S32DSfor Power V1.2工程，其编译及我国所占Flash的大小为23366(text) + 1372(data)=24738 Byte，而其S19文件大小为73KB。

 

误区三：用户应用工程的编译结果建议不能超过MCU片上Flash的80%

 

通过对以上误区一的分析，嵌入式MCU中用户应用工程的编译结果(数据和程序代码)是一直存储在片上Flash中的，对其下载编程之后在整个产品的生命周期中都不会再改变(除非用户开发了在线/远程升级的BootLoader功能)，因此，完全可以将将Flash全部用来保存编译结果，只要在工程链接文件中按照MCU实际存储器大小和地址进行配置，编译链接结果没有存储器溢出即可。用户应用工程的编译结果建议不能超过MCU片上Flash的80%的说法没有任何理论依据。

 

    胡恩伟

NXP汽车电子FAE

2017年7月18日于山城·重庆

 

 

 

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