如何優(yōu)化MCU SPI驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)高ADC吞吐速率

隨著技術(shù)的進(jìn)步，低功耗物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和邊緣/云計(jì)算需要更精確的數(shù)據(jù)傳輸。圖1展示的無線監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)帶有24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在此我們通常會(huì)遇到這樣一個(gè)問題，即微控制單元(MCU)能否為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供高速的串行接口。

本文描述了設(shè)計(jì)MCU和ADC之間的高速串行外設(shè)接口(SPI)關(guān)于數(shù)據(jù)事務(wù)處理驅(qū)動(dòng)程序的流程，并簡要介紹了優(yōu)化SPI驅(qū)動(dòng)程序的不同方法及其ADC與MCU配置。本文還詳細(xì)介紹了SPI和直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)關(guān)于數(shù)據(jù)事務(wù)處理的示例代碼。最后，本文演示了在不同MCU（ADuCM4050、MAX32660）中使用相同驅(qū)動(dòng)程序時(shí)ADC的吞吐率。

圖1. 狀態(tài)監(jiān)控。

引言

通用SPI驅(qū)動(dòng)程序簡介

通常，MCU廠商會(huì)在例程代碼中提供通用的SPI驅(qū)動(dòng)程序/API。通用SPI驅(qū)動(dòng)程序/API通?？梢院w大多數(shù)用戶的應(yīng)用，這些代碼可能包含許多配置或判斷語句。但在某些特定情況下，比如ADC數(shù)據(jù)采集，通用的SPI驅(qū)動(dòng)程序可能無法滿足ADC數(shù)據(jù)的全速的吞吐速率需求，因?yàn)橥ㄓ玫尿?qū)動(dòng)程序中有過多的配置，而未使用的配置會(huì)產(chǎn)生額外的開銷并導(dǎo)致時(shí)間延遲。

圖2. 通用API的配置。

設(shè)計(jì)思路與實(shí)踐框架

我們通常會(huì)選擇低功耗高性能的MCU作為主機(jī)通過SPI提取ADC的輸出數(shù)據(jù)。但是，由于ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)事務(wù)處理命令存在冗余，因此數(shù)據(jù)輸出速率可能被顯著降低。為了充分釋放ADC的潛在速率，本文使用ADuCM4050和 AD7768-1 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并嘗試可能的解決方案。盡管在使用默認(rèn)濾波器的情況下，ADuCM4050的最大數(shù)據(jù)輸出速率可達(dá)256 kHz，但在當(dāng)前情況下，其速率被限制在8 kHz。提高輸出速率的潛在解決方案包括刪除不必要的命令以及激活DMA控制器。本文將在以下小節(jié)中介紹這些思路。

圖3. 不同ODR以及DRDY與SCLK之間的關(guān)系。

以MCU作為主機(jī)

ADuCM4050 MCU是一款主時(shí)鐘速率為26 MHz的超低功耗微控制器，內(nèi)核為ARM? Cortex?-M4F處理器。ADuCM4050配有三個(gè)SPI，每個(gè)SPI都有兩個(gè)DMA通道（接收和發(fā)射通道）可與DMA控制器連接。DMA控制器和DMA通道可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。這是一種高效的數(shù)據(jù)分配方法，可將內(nèi)核釋放以處理其他任務(wù)。

以ADC作為從機(jī)

AD7768-1是一款24位低功耗、高性能的Σ-Δ ADC。其數(shù)據(jù)輸出速率(ODR)和功耗模式均可根據(jù)用戶的要求進(jìn)行配置。ODR由抽取系數(shù)和功耗模式共同決定，如表1中所示。

表1. 數(shù)據(jù)輸出速率的功耗模式配置

AD7768-1的連續(xù)讀取模式也是該產(chǎn)品的一個(gè)重要特性。ADC的輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器0x6C中。一般而言，每次讀/寫操作之前，ADC寄存器中的數(shù)據(jù)都需要地址才可以訪問，但是連續(xù)讀取模式則支持在收到每個(gè)數(shù)據(jù)就緒信號(hào)后直接從0x6C寄存器提取數(shù)據(jù)。ADC的輸出數(shù)據(jù)為24位的數(shù)字信號(hào)，對應(yīng)的電壓如表2所示。

表2. 數(shù)字輸出碼和模擬輸入電壓

引腳連接示意圖

ADuCM4050和AD7768-1組成的數(shù)據(jù)事務(wù)處理示例模型的引腳連接如圖4所示。

ADC的復(fù)位信號(hào)引腳RST_1連接至MCU的GPIO28，而數(shù)據(jù)就緒信號(hào)引腳DRDY_1則連接至MCU的GPIO27。其余引腳則根據(jù)通用的SPI配置標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接，其中MCU為主機(jī)，而ADC為從機(jī)。SDI_1接收MCU發(fā)送的ADC寄存器讀/寫命令，而DOUT_1則將ADC的輸出數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU。

圖4. AD7768-1和ADuCM4050的接口引腳連接。

數(shù)據(jù)事務(wù)處理的實(shí)現(xiàn)

中斷數(shù)據(jù)事務(wù)處理

為實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)事務(wù)處理，本文將MCU的GPIO27引腳（連接至ADC的DRDY_1引腳）用作中斷觸發(fā)引腳。ADC將數(shù)據(jù)就緒信號(hào)發(fā)送至GPIO27時(shí)會(huì)觸發(fā)MCU包含數(shù)據(jù)事務(wù)處理命令的中斷回調(diào)函數(shù)。如圖5所示，數(shù)據(jù)采集必須在中斷A和中斷B之間的時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行。

利用ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序可以在ADC和MCU之間輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)事務(wù)處理。但是，由于驅(qū)動(dòng)程序內(nèi)存在冗余命令，ADC的ODR會(huì)被限制在8 kHz。本文盡可能地精簡了代碼以加快ODR，將介紹實(shí)現(xiàn)DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理的兩種方法：基本模式的DMA事務(wù)處理和乒乓模式的DMA事務(wù)處理。

圖5. 兩次中斷的時(shí)間間隔。

基本模式的DMA事務(wù)處理

在實(shí)現(xiàn)每個(gè)DMA事務(wù)處理之前需要對SPI和DMA進(jìn)行配置（參見圖6中的示例代碼）。SPI_CTL為SPI配置，其值為0x280f，源于ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)定值。SPI_CNT為傳輸字節(jié)數(shù)。由于每個(gè)DMA事務(wù)處理只能發(fā)送固定的16位數(shù)據(jù)，因此SPI_CNT必須是2的倍數(shù)。本例設(shè)置SPI_CNT為4，以滿足ADC的24位的輸出數(shù)據(jù)要求。SPI_DMA寄存器為SPI的DMA使能寄存器，設(shè)定其值為0x5以使能DMA接收請求。命令pADI_DMA0->EN_SET=(1<<5)使能第五個(gè)通道的DMA，即SPI0 RX。

表3. DMA結(jié)構(gòu)寄存器

每個(gè)DMA通道都有一個(gè)DMA結(jié)構(gòu)寄存器，如表3中所示。需要指出的是，這里的數(shù)據(jù)來源地址的結(jié)尾（即SPI0 Rx，亦即來源端指針SRC_END_PTR）在整個(gè)操作期間無需增加，因?yàn)镽x FIFO會(huì)自動(dòng)將寄存器中的數(shù)據(jù)推送出去。另一方面，數(shù)據(jù)目標(biāo)地址的結(jié)尾（即目標(biāo)端指針DST_END_PTR）根據(jù)ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序的使用函數(shù)計(jì)算得出，即目標(biāo)地址+ SPI_CNT -2。

當(dāng)前地址為內(nèi)部數(shù)組緩沖區(qū)的地址。DMA控制數(shù)據(jù)配置CHNL_CFG包括來源數(shù)據(jù)大小、來源地址增量、目標(biāo)地址增量、剩余傳輸次數(shù)和DMA控制模式等設(shè)置，其值0x4D000011按照表4中所述的設(shè)置配置。

表4. 控制數(shù)據(jù)配置0x4D00011的DMA配置

SCLK時(shí)鐘通過偽讀取命令SPI_SPI0 -> RX啟動(dòng)，輸出數(shù)據(jù)通過MISO從ADC傳至MCU。MOSI上其它的數(shù)據(jù)傳輸可以忽略不計(jì)。一旦完成Rx的FIFO填充，DMA請求就會(huì)生成從而激活DMA控制器，以將數(shù)據(jù)從DMA來源地址（即SPI0 Rx FIFO）傳輸至DMA目標(biāo)地址（即內(nèi)部數(shù)組的緩沖區(qū)）。值得注意的是，SPI_DMA=0x3時(shí)會(huì)生成Tc請求。

最后，通過將當(dāng)前目標(biāo)地址加4的方式將目標(biāo)地址用于下一個(gè)4字節(jié)的傳輸。

請注意，SPI0 DMA通道的pADI_DMA0->DSTADDR_CLR和pADI_DMA0->RMSK_CLR必須在首次中斷觸發(fā)之前在主函數(shù)中設(shè)置。前一個(gè)為DMA通道目標(biāo)地址減量使能清零寄存器，用于在增量模式下設(shè)置每次DMA傳輸后的目標(biāo)地址移位（目標(biāo)地址計(jì)算函數(shù)僅在增量模式下有效）。后一個(gè)為DMA通道請求屏蔽清零寄存器，用于將通道的DMA請求狀態(tài)清零。

基本模式的DMA事務(wù)處理時(shí)間圖如圖7a所示。圖中三個(gè)時(shí)隙分別代表DRDY信號(hào)、SPI/DMA設(shè)置和DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理。在該模式中，CPU的空閑時(shí)間較多，因此希望DMA控制器在處理數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能將任務(wù)分配給CPU。

圖6. 基本DMA事務(wù)處理模式的代碼。

乒乓模式的DMA事務(wù)處理

在執(zhí)行偽讀取命令后，DMA控制器會(huì)開始數(shù)據(jù)事務(wù)處理，從而使得MCU的CPU處于空閑狀態(tài)而不處理任何任務(wù)。如果能夠讓CPU和DMA控制器同時(shí)工作，那么任務(wù)處理就從串行模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿心Ｊ?。這樣，就可以同時(shí)進(jìn)行DMA配置（通過CPU）以及DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理（通過DMA控制器）。為實(shí)現(xiàn)這一思路，需要設(shè)置DMA控制器處于乒乓模式。乒乓模式將兩組DMA結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整合：主結(jié)構(gòu)和備用結(jié)構(gòu)。每次DMA請求時(shí)，DMA控制器會(huì)在兩組結(jié)構(gòu)之間自動(dòng)切換。變量p的初始設(shè)置為0，其值表示是主DMA結(jié)構(gòu)(p = 0)還是備用DMA結(jié)構(gòu)(p = 1)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)事務(wù)處理。如果p = 0，則在收到偽讀取命令時(shí)啟動(dòng)主DMA結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)事務(wù)處理，同時(shí)會(huì)為備用DMA結(jié)構(gòu)分配值，使其在下一個(gè)中斷周期內(nèi)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)事務(wù)處理。如果p = 1，則主結(jié)構(gòu)和備用結(jié)構(gòu)的作用互換。當(dāng)僅有主結(jié)構(gòu)處于基本DMA模式時(shí)，在DMA事務(wù)處理期間對DMA結(jié)構(gòu)的修改會(huì)失敗。乒乓模式使得CPU能夠訪問和寫入備用DMA結(jié)構(gòu)，而DMA控制器可以讀取主結(jié)構(gòu)，反之亦然。如圖7b所示，由于DMA的結(jié)構(gòu)配置是在最后一個(gè)周期內(nèi)完成的，因此在DRDY信號(hào)從ADC傳送至MCU后DMA數(shù)據(jù)事務(wù)處理可以被立即執(zhí)行，使得CPU和DMA同時(shí)工作而無需等待?，F(xiàn)在，ADC的ODR得到了提升空間，因?yàn)榭偟墓ぷ鲿r(shí)間已大大縮短。

圖7. (a)基本模式DMA和(b)乒乓模式的時(shí)間圖。

中斷處理程序的優(yōu)化

兩次DRDY信號(hào)之間的時(shí)間間隔不僅包括了中斷回調(diào)函數(shù)的命令執(zhí)行時(shí)間，還包括了ADI的GPIO中斷處理函數(shù)的命令執(zhí)行時(shí)間。

當(dāng)MCU啟動(dòng)時(shí)，CPU會(huì)運(yùn)行啟動(dòng)文件（即startup.s）。所有事件的處理函數(shù)均在該文件中定義，包括GPIO中斷處理函數(shù)。一旦觸發(fā)GPIO中斷，CPU就會(huì)執(zhí)行中斷處理函數(shù)（即ADI的GPIO驅(qū)動(dòng)程序中的GPIO_A_INT_HANDLER和GPIO_B_INT_HANDLER）。通用的中斷處理函數(shù)會(huì)在所有的GPIO引腳中搜索觸發(fā)中斷的引腳并清零其中斷狀態(tài)、運(yùn)行回調(diào)函數(shù)。由于DRDY是本文應(yīng)用的唯一中斷信號(hào)，因此可以對函數(shù)進(jìn)行簡化以加快進(jìn)程?？蛇x的解決方案包括(1)在啟動(dòng)文件中重新定位目標(biāo)，以及(2)修改原始的中斷處理函數(shù)。重新定位目標(biāo)意味著自定義中斷處理函數(shù)，并替換啟動(dòng)文件中的原始的中斷處理函數(shù)。

而修改原始的中斷處理函數(shù)只需要添加一個(gè)自定義的GPIO驅(qū)動(dòng)程序。本文采用第二種方案修改原始的中斷處理函數(shù)，如圖8所示。該方案只將連接至DRDY的GPIO的引腳中斷狀態(tài)清零，并直接轉(zhuǎn)到回調(diào)函數(shù)。請注意，這里需要通過取消選擇build target中關(guān)于原始GPIO驅(qū)動(dòng)函數(shù)的勾選框內(nèi)容來隔離原始的GPIO驅(qū)動(dòng)程序。

圖8. 嵌套矢量中斷控制器(NVIC)。

結(jié)果

速率性能

假定現(xiàn)在需要讀取200個(gè)24位的ADC輸出數(shù)據(jù)，并且SPI位速率設(shè)置為13 MHz。將DRDY信號(hào)和SCLK信號(hào)的引腳連接至示波器,可以通過觀察DRDY信號(hào)與SPI數(shù)據(jù)事務(wù)處理（亦即DMA事務(wù)處理）啟動(dòng)之間的時(shí)間間隔的方法可以量化本文所述的每種方法對速率的改善程度。這里將DRDY信號(hào)至SCLK信號(hào)開始的時(shí)間間隔記為?t，那么對于13 MHz的SPI速率，測量得出的?t為：

(a)基本模式DMA Δt = 3.754 μs

(b)乒乓模式DMA Δt = 2.8433 μs

(c)乒乓模式DMA（使用優(yōu)化的中斷處理函數(shù)）Δt = 1.694 μs

方法(a)和(b)可支持64 kHz的ODR，而方法(c)可支持128 kHz的ODR。這是因?yàn)榉椒?c)的?t最短，從而使得SCLK信號(hào)能夠更早結(jié)束。如果SCLK信號(hào)（即數(shù)據(jù)事務(wù)處理）能在T/2之前完成（T為當(dāng)前ADC的數(shù)據(jù)輸出周期），則ODR可實(shí)現(xiàn)翻倍。這較之于原始的ADISPI驅(qū)動(dòng)程序可以達(dá)到的8 kHz的ODR性能是一次巨大的進(jìn)步。

圖9. (a)基本模式DMA、(b)乒乓模式以及(c)乒乓模式（使用優(yōu)化的中斷處理函數(shù)）的Δt。

使用MAX32660控制AD7768-1

使用主時(shí)鐘速率為96 MHz的MCU MAX32660控制AD7768-1）時(shí)的結(jié)果如何？在該情況下，使用優(yōu)化的中斷處理函數(shù)的中斷設(shè)置，可在不使用DMA函數(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)256 kHz的數(shù)據(jù)輸出速率。參見圖10。

圖10. 不使用DMA時(shí)MAX32660的ODR。

結(jié)論

本文利用選定的ADC(AD7768-1)和MCU（ADuCM4050或MAX32660）通過SPI實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)據(jù)事務(wù)處理。為實(shí)現(xiàn)速率優(yōu)化的目標(biāo)，本文簡化了ADI的SPI驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行數(shù)據(jù)事務(wù)處理。此外本文提出，激活DMA控制器釋放內(nèi)核也可以加快連續(xù)數(shù)據(jù)事務(wù)處理的流程。在DMA的乒乓模式下，DMA的配置時(shí)間可通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)度來節(jié)省。在此基礎(chǔ)上，還可以通過直接指定中斷引腳的方式優(yōu)化中斷處理函數(shù)。在13 MHz的SPI位速率下，本文提出的方案的最佳性能可達(dá)到128 kSPS的ADC ODR。

表5. 使用ADuCM405和MAX32660實(shí)現(xiàn)的高速SPI連接

致謝

在編寫本文的過程中，我們獲得了許多支持和幫助。

首先我們要感謝Charles Lee為我們提供了寶貴的硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、軟件支持以及調(diào)試技巧等專業(yè)知識(shí)。

我們還要感謝我們的導(dǎo)師William Chen給予我們的技術(shù)支持。

最后，我們要感謝Frank Chang與我們分享了自身職業(yè)生涯中的許多技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。