在您的設(shè)計中添加第二個 MCU 的原因有很多，一旦您這樣做了，就有很多錯誤要避免。本文考慮了論點和選項，同時指出了沿途的陷阱。

　　鑒于當今可用的處理器種類繁多，您可能會發(fā)現(xiàn)通過在您的應(yīng)用中引入第二個微控制器 （MCU） 或微處理器 （MPU） 來為應(yīng)用程序添加新功能是一種更具成本效益的選擇，原因有很多。設(shè)計而不是試圖在單個更高性能的處理器上執(zhí)行每項任務(wù)：

　　成本：與添加 8 位或 16 位 MCU 以承擔增加的負載相比，遷移到更高性能的系統(tǒng) MPU 可能具有更高的成本差異。

　　電源：與其消耗電源讓主應(yīng)用處理器不斷地自行開啟以執(zhí)行相對簡單的操作，例如監(jiān)控傳感器組或檢查是否已按下某個鍵，可以引入一個 8 位處理器來執(zhí)行這些任務(wù)。 從本質(zhì)上講，8 位處理器通過讓主處理器休眠并僅在需要其注意的事件發(fā)生時才喚醒它來充當“電源門”。這對于電阻式和表面電容式觸摸屏尤其有效。

　　確定性：涉及計算密集型任務(wù)（如動畫或音頻）的用戶界面 （UI） 功能可能會強調(diào)系統(tǒng)的實時確定性行為。第二個 MCU 可以承擔所有“實時”UI 職責，而不是冒著電機控制等關(guān)鍵任務(wù)的可靠性的風險。

　　多樣性：許多系統(tǒng)都可以從模塊化設(shè)計中受益。例如，可以使用不同的處理器來實現(xiàn)顯示模塊，以提供額外的圖形或流式視頻功能。通過采用模塊化方法，無需更改主要應(yīng)用程序代碼即可向系統(tǒng)添加新功能或支持不同的模型。

　　簡單：一條產(chǎn)品線可以提供多種選擇。例如，一個產(chǎn)品可能有四個屏幕、三個鍵盤和三個連接選項。當使用單個處理器時，設(shè)計團隊必須為每個可能的變體（4x3x3=36 個不同的變體）維護、測試和驗證單獨的代碼版本。使用輔助處理器實現(xiàn)新功能時，只需對每個選項（4+3+3=10）進行維護。請注意，使用第一個選項時，需要使用每個變體對整個系統(tǒng)進行測試和驗證，這是一個復(fù)雜且耗時的過程。使用第二個選項時，主應(yīng)用程序代碼只需要驗證一次。每個選項都可以單獨驗證，并且復(fù)雜性大大降低。

　　I/O 保護：一個 MCU 可以通過響應(yīng)多個地址在一個接口上看起來是多個設(shè)備。例如，主應(yīng)用處理器可以發(fā)出命令打開風扇，該命令被用作虛擬集線器的 MCU 攔截。這是一種在主應(yīng)用處理器上節(jié)省 I/O 的有效方法，因為只需一個通信外圍設(shè)備即可讀取和控制多個設(shè)備。

　　認證：更改用戶界面或在主系統(tǒng)中引入新的界面（如 Wi-Fi）需要對某些市場的整個設(shè)計進行重新認證。將這些功能作為具有單獨處理器的附加模塊來實施，可簡化重新認證過程，顯著加快開發(fā)和上市時間。

　　UART、I 2 C 和 SPI

　　有許多選項可用于互連處理器。用于此目的的最基本接口是通用異步收發(fā)器 （UART）、內(nèi)部集成電路 （I 2 C） 和串行外設(shè)接口 （SPI）。今天，許多處理器為這些接口中的一個或多個提供硬件和軟件支持。例如，意法半導體的 STM32 Cortex-M3 32 位處理器和 8 位STM8L MCU 支持所有這三種?；蛘?，賽普拉斯的PSoC可編程片上系統(tǒng)處理器系列具有模擬和數(shù)字模塊，可配置為提供每個接口的多個實例，允許根據(jù)不同目標市場的需要更改接口組合。問題變成了您需要多少接口。

　　UART 的運行速度高達 250 kbps，而 I 2 C 的運行速度為 100 至 400 kbps。提供自己的時鐘的 SPI 可以以超過 1 Mbps 的速度運行。UART 鏈接通常可以使用基于中斷的驅(qū)動程序在軟件中實現(xiàn)，只要驅(qū)動程序不會根據(jù)應(yīng)用程序的需要在處理器上施加過多的負載或延遲。一個我2C 主機通常可以用軟件實現(xiàn)，但由于涉及的數(shù)據(jù)速率，從機需要用硬件實現(xiàn)。SPI 還需要基于硬件。多主機系統(tǒng)也需要基于硬件。

　　除了數(shù)據(jù)速率之外，每個接口都提供了可能使其更適合特定應(yīng)用的特定功能。UART 實現(xiàn)起來非常簡單，并且是全雙工的。我2C 語言很受歡迎，因為它只需要兩條線，可以有一個簡單的主控，并提供各種高級選項，包括支持尋址、多主控、廣播和時鐘延長。例如，時鐘延長允許 I2C 從機在處理接收到的數(shù)據(jù)時保持時鐘并停止數(shù)據(jù)流，從而防止?jié)撛诘囊绯鰡栴}。相比之下，SPI 從設(shè)備受 SPI 主設(shè)備的支配。借助 I 2

　　C 和 SPI 的所有各種可用選項，許多芯片供應(yīng)商提供示例代碼，您需要將其用作創(chuàng)建自己的代碼的模型。幸運的是，這些接口的驅(qū)動程序相當簡單——I 2C驅(qū)動可以是15行代碼，讓你在短時間內(nèi)實現(xiàn)一個接口。但是，重要的是要確定需要支持哪些特性，正確實現(xiàn)它們，并且主從實現(xiàn)相同的特性。例如，在創(chuàng)建 I 2

　　C 驅(qū)動程序 時，您需要確定許多參數(shù)，例如 7 位或 11 位尋址、單主機或多主機（具有沖突檢測和恢復(fù)）、數(shù)據(jù)速率、是否使用 ACK/NAK 協(xié)議，支持地址保持，以及一系列其他選項。因此，任何兩個特定的 I 2 C 接口都可能非常不同。例如，開發(fā)人員遇到的一個常見問題是將筆記本電腦中使用的系統(tǒng)管理總線 （SMBus） 誤認為是一種簡單的 I2C總線。盡管 SMBus 在 I 2 C 接口上運行，但它通常使用固定電壓來表示高值和低值，而通用 I 2 C 接口使用的閾值通?；?MCU 電源的百分比，因此表示潛在的差異兩者之間可能會產(chǎn)生難以調(diào)試的間歇性錯誤。

　　還要注意，UART，我2C和SPI只是物理接口。您仍然需要提供在物理層之上運行的邏輯協(xié)議。如果接口位于您設(shè)計的兩個 MCU 之間，則此協(xié)議可以是您想要的任何協(xié)議。如果 MCU 正在與串行 EEPROM 之類的設(shè)備通信，那么協(xié)議已經(jīng)為您定義好了。因此，考慮到不同設(shè)備的數(shù)量及其可能與之通信的協(xié)議，主設(shè)備的驅(qū)動程序可能比從設(shè)備更復(fù)雜。此外，如果您的 master 不支持 slave 支持的所有協(xié)議功能（或者相反，嘗試使用 slave 不支持的功能），兼容性問題最終會浮出水面。

　　這些接口中的每一個的簡單性都是它的優(yōu)點和缺點。您可以實現(xiàn)復(fù)雜的協(xié)議，這使接口更加高效和強大，但這也可能使調(diào)試更加困難。如果您不小心，簡單性為您提供了掛起系統(tǒng)所需的所有繩索。

　　例如，考慮一個接口正在控制一個模擬多路復(fù)用器的應(yīng)用，該多路復(fù)用器需要在兩個音頻流之間平滑轉(zhuǎn)換。根據(jù)過渡的實施方式，可能會出現(xiàn)不受歡迎且可聽到的副作用；即，從柔和的流切換到響亮的流會導致響亮的“Pop！” 此外，命令延遲可能會影響轉(zhuǎn)換。理想情況下，您需要關(guān)閉音頻，切換流，然后重新運行音頻。但是，這對您的應(yīng)用程序可能并不總是很方便。如果您同時使用多個電源，也會遇到同樣的困難。

　　為了促進初始驅(qū)動程序設(shè)計和驗證，許多供應(yīng)商提供了強大的開發(fā)工具來實現(xiàn)和驗證接口功能。例如，微芯片提供 PICkit 串行分析器，可連接到您的系統(tǒng)和 PC，您可以使用該 PC 將鏈路配置為具有 UART、I 2 C 和 SPI 的任何標準接口選項的主設(shè)備或從設(shè)備。接口設(shè)計中的一個經(jīng)典問題是需要預(yù)先存在的 master 來設(shè)計 slave 或預(yù)先存在的 slave 來設(shè)計 master。PICkit 通過提供可靠的另一半鏈路來進行設(shè)計，從而消除了這個問題，并且可以查看通過鏈路兩側(cè)發(fā)送的內(nèi)容。PICkit 還能夠模擬各種 I 2 C 外設(shè)，如 ADC 和風扇控制器。

　　許多 MCU 供應(yīng)商還提供各種功能齊全的開發(fā)套件和庫，以方便將 LCD 顯示器、觸摸屏或其他外圍設(shè)備等子系??統(tǒng)引入系統(tǒng)。例如，TI 提供了 RDKIDML-35 智能顯示模塊參考設(shè)計套件，可以相對輕松地將 3.5 英寸 QVGA 觸摸屏添加到通過 I 2 C 或 SPI 鏈路連接的系統(tǒng)。該套件還包括一個具有各種 GUI 功能的軟件庫，以加快用戶界面設(shè)計。

　　避免常見

　　的陷阱 最后，學習實現(xiàn) UART、I 2 C 或 SPI 鏈接的最佳方法是自己動手。來自各種 MCU 制造商的專家建議了以下提示和技巧列表，以幫助您避免開發(fā)人員在實現(xiàn)他們的第一個處理器到處理器接口時經(jīng)常犯的一些更常見的錯誤、誤解和失誤。

　　分階段引入復(fù)雜性：不要試圖從一開始就實現(xiàn)整個系統(tǒng)。從基本驅(qū)動程序開始并驗證其操作。然后添加協(xié)議層并再次驗證。介紹應(yīng)用層。最后，運行整個系統(tǒng)及其所有各種并發(fā)任務(wù)和相互依賴關(guān)系。

　　設(shè)計您的系統(tǒng)以抽象功能：例如，使用通用 UI 界面允許主系統(tǒng)連接到機械按鈕、鍵盤或觸摸屏，而無需知道實際連接的是哪個。這種方法還允許您從根本上修改功能的執(zhí)行方式，而無需對主系統(tǒng)進行任何代碼更改?？紤]一臺具有單獨處理器處理硬幣和票據(jù)收集的自動售貨機。如果出現(xiàn)安全問題（即客戶想出了辦法欺騙機器），只需要重新設(shè)計用于監(jiān)控收集的硬件和軟件來防止這種情況發(fā)生；系統(tǒng)的其余部分保持不變。

　　認識到外圍設(shè)備不同于處理器：連接到外圍設(shè)備與連接到另一個處理器不同。當您控制接口兩側(cè)的軟件時，您定義了兩側(cè)的接口細節(jié)和協(xié)議，因此可以保證兼容性。當您只設(shè)計接口的一側(cè)時，您需要設(shè)計接口以匹配您所連接的外圍設(shè)備的要求。這會引起許多潛在的問題。最常見的是外設(shè)的數(shù)據(jù)表不準確地描述了接口是如何實現(xiàn)的。為避免此問題，請驗證接口是如何實現(xiàn)的。還要注意各種接口選項，例如 11 位尋址、時鐘延長、

　　指定足夠的數(shù)據(jù)速率：確認接口的數(shù)據(jù)速率將滿足您當前和未來的數(shù)據(jù)需求。例如，與較大的顯示器或同等觸摸屏相比，小型顯示器需要較低的數(shù)據(jù)速率。如果您計劃在下一代設(shè)計中支持更大的顯示器，請保持您的界面選項開放。

　　計算超支：獲得 I 2C 或 SPI 連接起來非常簡單。您可能會遇到困難的地方是極端情況。例如，接口可以正常運行到某個頻率，此時它開始出現(xiàn)故障。問題可能來自系統(tǒng)中的太多噪音或數(shù)據(jù)溢出。數(shù)據(jù)溢出可能是本地問題；一系列特定類型的數(shù)據(jù)包可能需要更多的處理時間，導致處理器無法足夠快地清空緩沖區(qū)。更常見的是，溢出是由系統(tǒng)級問題引起的。例如，接口使用的 DMA 或 FIFO 可能是共享資源。根據(jù)系統(tǒng)正在處理的其他內(nèi)容（即實時操作系統(tǒng)同時管理多個實時任務(wù)），延遲可能大于估計值，從而導致溢出。

　　首先驗證驅(qū)動程序：當出現(xiàn)問題時，可能很難確定錯誤的原因。在管理多個接口或?qū)崟r任務(wù)的系統(tǒng)中尤其如此，因為系統(tǒng)中發(fā)生的其他事情可能會出現(xiàn)錯誤。通過在引入應(yīng)用程序級功能之前驗證您的驅(qū)動程序，首先讓系統(tǒng)可靠地進行通信。這使您可以在以后的調(diào)試過程中更自信地消除驅(qū)動程序作為問題的根源。

　　使用代碼檢測進行調(diào)試：調(diào)試接口的兩側(cè)可能會很棘手，因為您正在使用多個處理器。雖然有調(diào)試多處理器系統(tǒng)的工具，但它們通常只允許您暫停鏈路的一側(cè)，從而難以利用傳統(tǒng)的調(diào)試技術(shù)。如果您在鏈路的兩側(cè)使用相同類型的處理器，您可以選擇讓一個處理器發(fā)送然后接收它自己的信號；這使您可以觀察鏈接的兩側(cè)并同時停止它們。如果您通過 JTAG 進行調(diào)試，您可以將兩個處理器連接到同一個 JTAG 鏈。

　　但是，一旦混合了架構(gòu)，您可能會發(fā)現(xiàn)自己不得不一次調(diào)試鏈接的一側(cè)。為了簡化調(diào)試，通過創(chuàng)建一個允許您分階段測試基本功能的簡單存根驅(qū)動程序來限制鏈接另一端的復(fù)雜性。當您開始在鏈路的兩側(cè)使用實時系統(tǒng)時，您可以在鏈路的一側(cè)使用調(diào)試器并在鏈路的另一側(cè)使用代碼檢測技術(shù)來促進調(diào)試。鏈接的檢測端可以使用鏈接本身將狀態(tài)信息（例如變量值、接收到的數(shù)據(jù)和其他重要信息）發(fā)送回被調(diào)試的處理器。

　　利用你的調(diào)試器：一些工程師試圖在沒有調(diào)試器的情況下解決編程問題。當他們遇到錯誤時，他們會在代碼中嘗試不同的東西。然而，許多接口問題是在系統(tǒng)級別引起的，重寫接口驅(qū)動程序代碼不是解決方案。觀察這些系統(tǒng)級交互可能需要調(diào)試器。

　　檢查您的連接：在調(diào)試問題之前三重檢查您的連接。例如，一個容易犯的錯誤是連接接口的控制信號，但沒有共同接地。這樣做，您可能會發(fā)現(xiàn)自己花費數(shù)小時試圖解決一個不存在的問題。

　　記錄您的代碼：花時間編寫帶有完整注釋的干凈代碼。一個簡單的我2C 驅(qū)動程序可能只運行 15 行，并且似乎不需要文檔。但是，如果您是 I 2 C 的新手，您可能會錯過一個稍后會進一步了解的關(guān)鍵參數(shù)。完整的文檔為您提供了一個可靠的途徑來跟蹤您的思維變化，并且不會隨著應(yīng)用程序復(fù)雜性的增加而迷失方向。

　　質(zhì)疑規(guī)格表：由于其更大的靈活性，開發(fā)人員通常會遇到更多關(guān)于 I 2的問題C比用SPI。例如，從機可以通過降低時鐘、使用不同的尋址模式或以不同的方式實現(xiàn)啟動/停止序列來對主機產(chǎn)生不利影響。即使您連接到帶有詳細數(shù)據(jù)表的傳感器等外圍設(shè)備，也要小心。外圍設(shè)備可能不符合規(guī)范，因此如果您無法使接口正常工作，請不要立即假設(shè)您的驅(qū)動程序或 MCU 有故障。在這種情況下，您可能需要邏輯分析儀來定位問題的真正根源。

　　可以訪問邏輯分析儀：當您必須使用現(xiàn)有接口和協(xié)議連接到另一臺設(shè)備時，此工具特別有用。當連接到具有并行接口（如顯示器）的外圍設(shè)備時，它還可以加速開發(fā)。請務(wù)必檢查您的邏輯分析儀是否支持您正在使用的接口的適當解碼。自動解碼可以大大簡化調(diào)試，因為您可以將接口作為邏輯信號進行觀察，而不必自己將物理信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號。

　　共存設(shè)計：在多主機系統(tǒng)中，有時您需要確保將數(shù)據(jù)發(fā)送到多個目的地，而不會冒著將總線放棄給另一個主機的風險。為此，您可以在每次傳輸之間使用重新啟動條件來保持對總線的控制。類似地，您可以使用重新啟動來改變數(shù)據(jù)的方向以從從機（即 EEPROM）接收數(shù)據(jù)，而無需松開總線。然而，以這種方式鎖定總線的主機可能會為其他執(zhí)行同樣時間關(guān)鍵任務(wù)的主機產(chǎn)生延遲問題。謹慎使用此類技術(shù)并徹底測試主控器之間的相互作用，以確保它們彼此之間運行良好。

　　設(shè)計具有從/主功能的驅(qū)動程序：考慮讓你的奴隸成為主人。這在系統(tǒng)故障的情況下很有用，允許從機接管總線并啟動恢復(fù)機制，其延遲明顯低于從機必須等到它被尋址才能發(fā)出警報的情況。

　　將數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸分開：通常，收集的數(shù)據(jù)（即來自溫度傳感器的電壓）與需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（即是否已超過溫度閾值）有很大不同。考慮一個觸摸屏模塊的接口，其中作為主系統(tǒng)的主系統(tǒng)請求當前手指位置數(shù)據(jù)。該模塊收集原始數(shù)據(jù)并將其存儲，直到主站請求位置數(shù)據(jù)。此時，模塊檢索原始數(shù)據(jù)，對其進行處理，然后傳輸。

　　這種特殊的架構(gòu)可能會無意中造成溢出情況?？紤]到為了保持響應(yīng)能力，主系統(tǒng)可能會以比原始數(shù)據(jù)實際更改的頻率更高的頻率詢問信息。這意味著對于每個請求，模塊必須使用數(shù)據(jù)密集型算法重新計算位置數(shù)據(jù)，即使數(shù)據(jù)沒有改變。由于要多次計算原始數(shù)據(jù)，結(jié)果是巨大的開銷，可能會影響模塊的響應(yīng)能力。

　　有幾種方法可以消除這種開銷。例如，可以在計算位置數(shù)據(jù)之前檢查原始數(shù)據(jù)是否已充分改變。如果原始數(shù)據(jù)沒有改變，則使用之前的計算。另一種方法是讓觸摸屏模塊充當鏈接上的主模塊，并在位置發(fā)生變化時發(fā)送更新。

　　保持接口簡單：如果只有一主一從，則無需實現(xiàn)地址沖突。當然，還要考慮未來的擴展以及部署的設(shè)備是否可能需要支持這樣的功能才能與未來幾代設(shè)備兼容。

　　借助當今的集成 MCU 和 MPU，再加上強大的開發(fā)工具，設(shè)計您的第一個處理器到處理器接口可以是一個簡單的過程，讓您可以快速地將第二個處理器引入現(xiàn)有設(shè)計。通過謹慎設(shè)計，您可以避免許多常見的陷阱，從而創(chuàng)建一個可靠且高效的界面，以滿足您當前和未來應(yīng)用程序的性能需求。