使用DMA在低功耗可穿戴設(shè)備中加快外設(shè)監(jiān)測(cè)

嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行的一個(gè)常見(jiàn)任務(wù)是管理外部輸入。管理輸入會(huì)給處理器帶來(lái)很多不必要的計(jì)算壓力，導(dǎo)致處理器處于有功功率模式下的時(shí)間更長(zhǎng)，響應(yīng)速度更慢。為了優(yōu)化功率，保持對(duì)事件的快速響應(yīng)以及管理大量數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸，具有直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)的微控制器可提供更好的解決方案。

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直接內(nèi)存訪問(wèn)(DMA)

在涉及外設(shè)的系統(tǒng)應(yīng)用中，微處理器在許多點(diǎn)可能都會(huì)遭遇瓶頸。例如，在管理一個(gè)不斷發(fā)送數(shù)據(jù)的ADC時(shí)，處理器可能時(shí)常被中斷，導(dǎo)致它很難完成其他任務(wù)。DMA是一種在大型或快速數(shù)據(jù)處理事務(wù)中移動(dòng)數(shù)據(jù)和盡量減少處理器參與的方法。您可以將DMA控制器當(dāng)做一個(gè)協(xié)處理器，它的唯一作用就是與存儲(chǔ)器和外設(shè)交互。通過(guò)這種方式，主處理器可以成功管理工作量大的外設(shè)，專注于處理其他任務(wù)，甚至可以在后臺(tái)處理數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以節(jié)省功率。例如，在Arm?架構(gòu)上，DMA模塊可以在LP2（睡眠）或LP3（運(yùn)行）模式下運(yùn)行。對(duì)于需要更長(zhǎng)的電池壽命的應(yīng)用，例如可穿戴傳感器中樞和智能手表，這具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

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優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

在許多數(shù)字系統(tǒng)中，DMA很有用處，有時(shí)甚至用于管理大量總線流量。它還用于網(wǎng)卡、顯卡，甚至一些原始的IBM個(gè)人電腦中。也就是說(shuō)，將DMA集成到設(shè)計(jì)中時(shí)，確實(shí)需要進(jìn)行一些權(quán)衡考量。

表1. 使用DMA的優(yōu)點(diǎn)

表2. 使用DMA的缺點(diǎn)

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總線訪問(wèn)和CPU周期

雖然DMA控制器在節(jié)能或加速嵌入式系統(tǒng)方面非常有效，但它們的實(shí)現(xiàn)方案還沒(méi)有高度標(biāo)準(zhǔn)化?？梢允褂枚喾N方案來(lái)確保不會(huì)與CPU同時(shí)授予內(nèi)部總線訪問(wèn)權(quán)限?？偩€訪問(wèn)方案的主要目標(biāo)是避免同時(shí)訪問(wèn)相同的存儲(chǔ)器位置，以免發(fā)生緩存區(qū)不連續(xù)和邏輯錯(cuò)誤。單個(gè)DMA控制器通常配置為采用這些方案之一，因?yàn)槭褂妹糠N方案可能需要不同的硬件或固件控制。大多數(shù)DMA控制器使用的總線訪問(wèn)方案是突發(fā)、周期竊用和透明模式的DMA。

透明DMA一次只能執(zhí)行一項(xiàng)操作，但是，它也必須等待處理器執(zhí)行指令，以獲得對(duì)所需數(shù)據(jù)或地址總線的訪問(wèn)。驗(yàn)證這種訪問(wèn)限制需要使用額外的邏輯，這種類型DMA的速度通常最慢。在不需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器總線但需要進(jìn)行額外的處理的應(yīng)用中，透明DMA可能具有優(yōu)勢(shì)。在這種情況下，優(yōu)勢(shì)在于消除了對(duì)CPU的節(jié)流，因?yàn)樘幚砥鳠o(wú)需完全停止運(yùn)行。

表3. DMA類型及其優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

圖1. DMA運(yùn)行期間，突發(fā)DMA的架構(gòu)圖。

突發(fā)DMA是借由不常見(jiàn)的大型突發(fā)事件發(fā)生，在此期間，DMA會(huì)根據(jù)緩沖區(qū)可以存儲(chǔ)的容量，向目標(biāo)緩沖區(qū)發(fā)送盡可能多的數(shù)據(jù)。DMA控制器會(huì)在短時(shí)間內(nèi)阻止CPU運(yùn)行，以移動(dòng)大量?jī)?nèi)存，然后將總線交還給主CPU，并一直重復(fù)該過(guò)程，直到傳輸完成。突發(fā)DMA通常被認(rèn)為是速度最快的類型。

圖2. 在DMA運(yùn)行期間，周期竊用DMA發(fā)生在兩個(gè)CPU周期之間。

相反，單字節(jié)傳輸或周期竊用DMA從CPU獲取提示，并且僅在CPU指令之間執(zhí)行操作。它在兩個(gè)CPU周期之間插入一個(gè)操作，因此實(shí)際上"竊取"了CPU時(shí)間。由于一次只能執(zhí)行一項(xiàng)操作的限制，它通常比突發(fā)DMA慢。

圖3. 在DMA運(yùn)行期間，透明DMA在處理器處理不訪問(wèn)數(shù)據(jù)或地址總線的任務(wù)時(shí)發(fā)生。

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突發(fā)DMA架構(gòu)示例

圖4. MAX32660上的DMA控制器的架構(gòu)圖。

關(guān)于突發(fā)DMA控制器示例，可以參見(jiàn) MAX32660（參見(jiàn)圖4）。上方路徑對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流，下方路徑代表先進(jìn)的高性能總線(AHB)和DMA邏輯之間的控制/狀態(tài)流。DMA控制器可以用作AHB和存儲(chǔ)器或外設(shè)模塊之間的緩沖區(qū)接口，具體取決于其配置方式。DMA邏輯位于DMA緩沖區(qū)和每個(gè)外設(shè)之間，用于在處理期間獨(dú)立管理每個(gè)唯一的外設(shè)總線。DMA運(yùn)行一次可以移動(dòng)多達(dá)32個(gè)字節(jié)，只要源/目標(biāo)緩沖區(qū)中可以包含這么多數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)最高可存儲(chǔ)16 MB，除了內(nèi)部存儲(chǔ)器傳輸外，還可以配置為發(fā)送或接收I2C、SPI、I2S和UART。編程DMA控制可能會(huì)因協(xié)議的不同而略有不同，但外設(shè)事務(wù)完全由DMA控制器管理。仲裁模塊控制四個(gè)DMA通道和CPU之間的總線訪問(wèn)限制，根據(jù)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)批準(zhǔn)請(qǐng)求。

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現(xiàn)代DMA選項(xiàng)

總之，對(duì)于管理大量傳感器并要求高吞吐量、高效率和低功耗操作的現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，DMA是一個(gè)關(guān)鍵特性。它就像是一個(gè)專門用于處理存儲(chǔ)器和外設(shè)總線事務(wù)的協(xié)處理器。

許多應(yīng)用必須使用DMA，以盡可能降低功耗和減輕處理器負(fù)載。例如，健康和可穿戴設(shè)備可以處理大量的數(shù)據(jù)吞吐量，但它們也必須盡可能地節(jié)省電池電量，同時(shí)還要處理敏感數(shù)據(jù)。ADI在適用于低功耗可穿戴設(shè)備的微控制器上采用快速突發(fā)DMA架構(gòu)，例如 MAX32660 和 MAX32670。此外，DARWIN Arm微控制器（例如 MAX32666 ）是為集成Bluetooth? 5的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。這些器件采用2個(gè)8通道突發(fā)DMA控制器，支持基于事件的事務(wù)。它們甚至配備了出色的安全硬件，具有安全引導(dǎo)加載程序和信任保護(hù)單元(TPU)，可以加速ECDSA、SHA-2和AES加密。從早期的IBM電腦到網(wǎng)卡，再到現(xiàn)在的安全、低功耗可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，DMA是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基本特征。