ＳＩ２Ｘ ＭＣＵ外設協處理器的配置及編程

摘要：本文扼要介紹了飛思卡爾新一代SI2X 16位MCU的外設協處理器XGATE。著重討論了XGATE的中斷處理機制，以及XGATE與主內核CPUl2X的交互。最后給出了XGATE的典型配置及編程方法。

關鍵詞：協處理器；XGATE；中斷機制；微控制器

與經典的微處理器S12系列相比，飛思卡爾新一代的16位微處理器系列S12X(E)的性能有深化而全面的提升。最重要的是集成了外設協處理器XGATE。它是一個獨立于主CPU(CPUl2X)的RISC內核，可作為一個高效的DMA控制器，自治地在外設與RAM之間進行高速的數據傳送，和靈活的數據處理；可作為一個單獨的算法單元完成某些運算，如通信協議的處理；作為虛擬的外設，用I/o口模擬串行通信口；或對簡單的外設進行軟件包裝以生成功能強大的個性化外設。集成XGATE的目的就是在日益復雜的嵌入式系統中減輕內核CPUl2X的負擔，以增強系統的數據吞吐能力。

XGATE基本特性

精簡指令集內核

XGATE是一個16位的精簡指令集內核，圖1為XGATE編程模式。內核擁有8個16位通用寄存器R0～R7，1個程序計數器PC，一個4位的條件碼寄存器CCR。其中R0恒為0，可用于對變量的快速清零或置位。R1和R7有額外用途：XGATE響應中斷時，硬件將中斷向量表中對應通道的1個16位字裝載到R1(通常用作數據指針)，將暫存指針裝載到R7。內核沒有完全功能的棧指針，這里的暫存指針只在調用函數時用于局部變量的空間分配。

XGATE指令集

XGATE共有72條獨立的指令。指令時鐘最高可達100MHz。XGATE的時鐘速度總是CPUl2X總線速度的2倍。XGATE的大部分指令是對通用寄存器的操作，為單周期指令。訪問存儲器的指令為雙周期指令。跳轉指令視條件而定可能為1或2個周期。XGATE有一些特殊的位提取及插入的單周期指令，很適合串行通信協議的處理。

XGATE訪問空間

S12X的全局存儲空間共有8MB，XGATE可以訪問其中片內的64KB。這64KB包括2KB的片上外設寄存器，30KB的片上閃存和最大32KB的片內RAM，如圖2的XGATE全局地址映射所示。注意XGATE不能訪問EEPROM空間或片外資源。XGATE的訪問空間完全包含在CPUl2X的訪問空間中。地址仲裁的規則使CPUl2X的優先級總高于XGATE。

嵌入式處理器的代碼通常在閃存或ROM中運行，但對于XGATE建議代碼放在RAM中運行。原因有二：1)CPUl2X的代碼，在閃存中，若XGATE的代碼也在閃存中，則增加了總線沖突的概率；2)CPUl2X訪問片內RAM時只占用總線帶寬的一半，在每個CPU12X的RAM訪問周期中，總能讓出一個XGATE的RAM訪問周期。

事件驅動XGATE線程

XGATE的代碼執行是由事件驅動的，這里的事件就是中斷，由中斷來觸發XGATE的運行。沒有中斷，XGATE不執行任何指令，從而也沒有功耗。XGATE的代碼就是一組中斷服務程序，沒有主程序或空閑時的循環程序。XGATE的中斷服務程序也稱作線程。

互斥信號量

CPU12X與XGATE之間常用的通信方式是共享資源。由于這兩個內核可以獨立異步地訪問內存及片上外設，就產生了數據完整性的問題。為了保證共享數據的完整性，XGATE集成了8個硬件互斥信號量(Semaphore)，用戶可以通過硬件信號量來同步兩個內核對共享數據的訪問。

信號量有3種狀態：釋放、CPUl2X鎖定和XGATE鎖定。每個內核在訪問共享資源前，應當首先鎖定相應的信號量；在訪問結束后應當釋放相應的信號量。信號量在三種狀態之間的轉換如下：

·信號量鎖定

XGATE以專用的指令SSEM加上一個3位立即數來鎖定某個信號量。若鎖定成功則XGATE的進位標志C置位，否則C被清零。CPUl2X通過專門的信號量寄存器來鎖定信號量。CPUl2X鎖定并檢查某個信號量的方法可參見下面的C宏定義。

·信號量釋放

XGATE以專用的指令CSEM加上一個3位立即數來釋放某個信號量。CPUl2X通過專門的信號量寄存器來釋放信號量。同樣見下面的C宏定義。

值得強調的是，信號量與對應資源之間沒有任何硬件上的聯系，信號量對資源的保護完全體現在用戶的代碼中。

XGATE的中斷

所有MCU中斷缺省由CPU12X響應。其中絕大多數中斷也可提交XGATE處理。每個中斷都有相應的配置寄存器INT_CFGDATAx來配置相應的處理內核及中斷優先級。圖3是典型的S12X的中斷配置及中斷響應。其中ILVL[2:0]域定義了中斷優先級，優先級對兩個內核都有效；RQST域選擇中斷處理內核。一種典型的應用是置RQST=1，首先將中斷提交給XGATE處理。xGATE的中斷服務程序處理之后通知CPUl2X，并將處理的結果提交CPUl2X。這樣CPUl2X就只需關注于上層的應用控制算法，而與底層硬件密切相關的驅動由XGATE處理，極大地提高了系統的性能。

中斷向量表

圖4是XGATE的中斷矢量表結構。XGATE的每個中斷矢量由2個16位字組成。編程時可用一個指針結構數組來描述整個中斷矢量表。數組的每個元素由ISR入口地址和ISR數據指針組成。若某中斷配置由XGATE處理，則當該中斷發生時硬件將ISR入口地址裝載入XGATE的程序計數器PC，將ISR數據指針裝載入XGATE的R1。這樣XGATE的中斷服務程序可以帶一個數據指針作為參數。這樣，一個顯著的好處是，可以只用同一段ISR代碼來處理同類的若干個中斷。XGATE可以通過這個數據指針來區分及處理不同的對象。

XGATE與CPUl2X的相互中斷

XGATE與CPUl2X之間可相互中斷以便同步運行。XGATE有一個特殊的指令SIF，用于向CPUl2X提交中斷。通常SIF為XGATE線程的最后一條指令，用以觸發CPUl2X中斷。缺省情況下XGATE的中斷矢量就對應于XGATE所處理的前一中斷。故由SIF所觸發的CPUl2X的中斷服務程序通常不必查詢中斷源。

XGATE有8個軟件中斷源。CPUl2X通過置位或清除XGATE軟件觸發寄存器(XGSWT)中相應的位來觸發或清除這8個中斷。值得指出的是：由于XGSWT屬于片上外設寄存器，所以XGATE也可以通過XGSWT給自己發出中斷。

中斷嵌套

最早推出的XGATE不支持中斷嵌套，即只在當前XGATE的線程完成后才能處理別的中斷。新的XGATE支持1級中斷嵌套，而且，新的XGATE有2套內核寄存器，1套在前臺運行，另1套在后臺保持被占先前的現場。所以中斷過程中沒有內核寄存器入棧或出棧。這樣2套內核切換的速度很快，僅為2個XGATE的指令周期。

另外，對應于4到7級中斷和1到3級中斷分別有XGATE初始暫存指針寄存器XGISP74和XGISP31。與優先級的中斷相應時，硬件會將對應的暫存指針寄存器內容裝載到XGATE的R7中。

XGATE的啟動及初始化

XGATE的啟動及初始化并不復雜，典型過程如下：

·XGATE代碼下載到RAM中。系統復位后，需要將XGATE的代碼從閃存下載到RAM中以提高系統運行性能。

·將XGATE的中斷矢量表起始地址寫到XGATE的矢量基地址寄存器XGVBR中。

·初始化XGATE的暫存指針。將優先級4到7的中斷程序的局部變量起始地址寫入寄存器XGISP74將優先級1到3的中斷程序的局部變量起始地址寫入寄存器XGISP31。

·配置中斷源。欲將某中斷提交給XGATE處理，則將中斷配置寄存器的RQST置位；同時可以設置中斷配置寄存器ILVL[2：0]域為其配置適當的優先級。

·啟動XGATE。置XGATE控制寄存器XGMCTL中的XGE位為1以啟動XGATE。通常也將XGIE位置1以使能XGATE對CPUl2X的中斷。

結語

外設協處理器XGATE顯著增強了S12XMCU系統的整體性能。S12X MCU片上幾乎所有的外設中斷均可交給XGATE處理。XGATE的編程實際就是為XGATE寫一組中斷服務程序。XGATE的配置和啟動也比較方便，主要是恰當地設置幾個核心的XGATE寄存器。