使用事件系統(tǒng)和DMA來消除中斷可實(shí)現(xiàn)超快響應(yīng)時(shí)間和極低功耗

　　隨著嵌入式系統(tǒng)與外圍環(huán)境的響應(yīng)越來越多，需要捕獲和處理數(shù)據(jù)的外設(shè)數(shù)量也暴增。微控制器通常配備ADC、DAC、PWM、多個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，以及大量的TWI、SPI、CAN、USB和USART通信接口。外設(shè)的增加意味著需要循環(huán)密集(cycle-intensive)的中斷，而在內(nèi)存和外設(shè)之間移動(dòng)的數(shù)據(jù)量也會呈指數(shù)級增加。

　　一般來說，CPU負(fù)責(zé)處理中斷和移動(dòng)數(shù)據(jù)。在某些應(yīng)用中，CPU的大多數(shù)時(shí)間都花費(fèi)在這些活動(dòng)上。例如，管理兩個(gè)同步外設(shè)之間的通信和64Mbps速率的單一數(shù)據(jù)傳輸就需要200 CPU MIPS，并消耗240mA電流，原因是這涉及了廣泛的場景關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換和中斷處理。要應(yīng)對這些額外的計(jì)算負(fù)荷，就必須提高CPU時(shí)鐘速率，因而相應(yīng)地增加了功耗。在極端情況下，還必須把設(shè)計(jì)從8/16位器件轉(zhuǎn)換成32位器件才能應(yīng)付。

　　在多數(shù)情況下，一個(gè)外設(shè)上的信號除了要讓另一個(gè)外設(shè)知道它有事要做外，并不需要CPU做什么。可惜的是，兩個(gè)外設(shè)間的聯(lián)絡(luò)卻需要大量中斷處理時(shí)間。例如，在馬達(dá)控制應(yīng)用中，為防止馬達(dá)過熱，必須不斷測量馬達(dá)上的電流，并在出現(xiàn)過流馬達(dá)停轉(zhuǎn)信號時(shí)觸發(fā)一個(gè)模擬比較器。這樣CPU便會隨之中斷，并關(guān)斷馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的PWM輸出。這個(gè)過程需要耗費(fèi)數(shù)十個(gè)時(shí)鐘周期，并需要另外的20～100個(gè)時(shí)鐘周期來恢復(fù)關(guān)聯(lián)。微控制器并沒真正被用于任何需要其處理能力的事情，只是從模擬比較器向PWM輸出傳遞了一個(gè)消息而已；換言之CPU時(shí)鐘資源基本上被浪費(fèi)了。

　　除此之外，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為其它外設(shè)(ADC和DAC)的定時(shí)也會耗費(fèi)CPU時(shí)鐘的資源。在這類情況下，都要產(chǎn)生一個(gè)中斷來開始一次轉(zhuǎn)換。在幾個(gè)kHz的抽樣速率下，這些定時(shí)器/計(jì)數(shù)器中斷會消耗掉1MIPS，大約是一個(gè)12MIPS CPU的8%的處理能力。

　　如果這些外設(shè)能夠無需中斷CPU而直接相互通信，每秒鐘就可輕易節(jié)省數(shù)百萬個(gè)時(shí)鐘周期。8位微控制器不再適用于8位應(yīng)用的一個(gè)原因，就是應(yīng)用涉及的數(shù)據(jù)處理和中斷處理太多，CPU的MIPS大都耗費(fèi)在這些活動(dòng)上。而外設(shè)和內(nèi)存之間的傳輸數(shù)據(jù)更進(jìn)一步地增加了MCU的負(fù)擔(dān)。一個(gè)350kps的數(shù)據(jù)傳輸就要耗費(fèi)22～25個(gè)CPU MIPS。

　　解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是采用一個(gè)帶8通道事件系統(tǒng)和直接內(nèi)存訪問(DMA)的低功耗8/16位單周期RISC MCU，讓事件系統(tǒng)和DMA來為CPU分擔(dān)這些工作。這種微控制器構(gòu)架可同時(shí)處理多達(dá)8個(gè)外設(shè)間事件，以及4個(gè)速率為64Mps的數(shù)據(jù)傳輸，而且總體電流消耗低于10mA。由于事件系統(tǒng)和DMA可讓外設(shè)自主地相互通信，因此不再需要CPU時(shí)鐘周期或中斷，這樣CPU也就可以處于睡眠狀態(tài)了。

　　事件系統(tǒng)通過CPU數(shù)據(jù)總線和DMA控制器之外的一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)傳遞外設(shè)信號。這樣做的好處是外設(shè)間信號通信變得可預(yù)見和無延遲，并減少了CPU時(shí)間和釋放了中斷資源。有了事件系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)外設(shè)出現(xiàn)了狀態(tài)變化，就會自動(dòng)觸發(fā)其它外設(shè)上的相應(yīng)動(dòng)作。在前述馬達(dá)案例中，微控制器中的模擬比較器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，I/O引腳或ADC可以在過流狀況的兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，直接關(guān)斷馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的PWM輸出，不需占用任何中斷，也不耗費(fèi)任何CPU時(shí)鐘資源，就可以為馬達(dá)提供更好的保護(hù)。

　　圖1，帶有事件系統(tǒng)總線的XMEGA微控制器：帶有事件系統(tǒng)和DMA的MCU通過CPU數(shù)據(jù)總線和DMA之外的一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)傳遞外設(shè)信號。這樣做的好處是外設(shè)間信號通信變成可預(yù)見和無延遲，并減少了CPU周期時(shí)間和釋放了中斷資源。

圖1，帶有事件系統(tǒng)總線的XMEGA微控制器。

　　可以觸發(fā)事件系統(tǒng)的外設(shè)事件包括：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器比較匹配或溢出，模擬比較器觸發(fā)，引腳狀態(tài)變化，ADC完成或比較，以及實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器溢出。在其它外設(shè)中被觸發(fā)的事件包括：ADC或 DAC轉(zhuǎn)換，輸入捕獲以記錄通信時(shí)間戳或ADC測量時(shí)間戳，外部頻率或脈寬測量，產(chǎn)生定時(shí)器/計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號，開始一個(gè)DMA交易，或改變一個(gè)引腳輸出。

　　至于哪些事件應(yīng)該觸發(fā)特定外設(shè)上的哪些動(dòng)作，完全可由設(shè)計(jì)人員進(jìn)行配置。事件系統(tǒng)配置可以是靜態(tài)鎖定的，也可在應(yīng)用執(zhí)行的不同階段動(dòng)態(tài)變化。事件通道并行運(yùn)作，任何時(shí)刻都可有多達(dá)8對外設(shè)同時(shí)互聯(lián)。

　　采用事件系統(tǒng)能夠消除多個(gè)和/或頻繁的中斷觸發(fā)造成的瓶頸，而且無需軟件開銷，關(guān)鍵任務(wù)可獨(dú)立于CPU完成，而且也能大大降低功耗。一個(gè)沒有事件系統(tǒng)的傳統(tǒng)8位MCU要耗費(fèi)16 MIPS才能完成響應(yīng)馬達(dá)過流信號關(guān)斷PWM的動(dòng)作。在16 MHz，1 MIPS/MHz，以及0.6 mA/MHz的工作條件下，微控制器需要消耗8.6 mA才能完成這項(xiàng)任務(wù)。而一個(gè)帶有事件系統(tǒng)的同等MCU則不消耗MIPS，而且也不會增加功耗。

　　圖2，XMEGA微控制器的事件系統(tǒng)：有了事件系統(tǒng)，一個(gè)外設(shè)上出現(xiàn)狀態(tài)變化就會自動(dòng)觸發(fā)其它外設(shè)上的相應(yīng)動(dòng)作，且不 占用任何中斷，也不耗費(fèi)任何CPU時(shí)鐘資源?？赏瑫r(shí)處理多達(dá)8個(gè)外設(shè)間事件，以及4個(gè)速率為64Mps的數(shù)據(jù)傳輸，而CPU處于睡眠模式，電流消耗僅10mA。

圖2，XMEGA微控制器的事件系統(tǒng)。

　　消除中斷后，處理響應(yīng)延遲可獲減少，而且確保最多只要2個(gè)時(shí)鐘周期，或者說在32 MHz 時(shí)鐘頻率下只需62.5 ns的時(shí)間；而最快響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到31.2 ns。實(shí)際上，在8/16位MCU上采用事件系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間較無事件系統(tǒng)的傳統(tǒng)32位MCU 縮短了37倍。

　　傳輸數(shù)據(jù)是另一個(gè)耗費(fèi)時(shí)鐘周期和增加功耗的活動(dòng)。由于CPU本身每次只能傳輸1個(gè)位，因此用CPU傳輸數(shù)據(jù)會帶來巨大處理開銷很大。8位微控制器必須執(zhí)行22 MIPS，消耗14mA電流才能完成速率350Kbps的數(shù)據(jù)傳輸。SPI和USART傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率高達(dá)25Mbps，普通的8位MCU幾乎不可能支持這個(gè)最大速率。

　　只要在器件上增加一個(gè)外設(shè)DMA控制器，就可基本上解除CPU的所有這些工作負(fù)荷。當(dāng)CPU數(shù)據(jù)總線空閑時(shí)，DMA控制器便會用它來完成內(nèi)存和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳輸，無需使用CPU資源。連接外設(shè)寄存器的內(nèi)部總線(包括I/O引腳、內(nèi)存映射EEPROM、內(nèi)部SRAM，以及外部總線接口)是分開的，因而DMA控制器和CPU可以同時(shí)進(jìn)行總線訪問。這樣，始終有一個(gè)通信通道供DMA使用。

　　跟處理能力為22 MIPS、功耗為11mA但不帶DMA的8位MCU比較，使用DMA控制器傳輸350 Kbps數(shù)據(jù)，MIPS消耗可減少99%；電流消耗則低于1mA。

　　DMA控制器可以直接將數(shù)據(jù)從一個(gè)外設(shè)寄存器移到內(nèi)部或外部SRAM，也可在SRAM的不同地址間，甚至不同外設(shè)寄存器之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。4個(gè)DMA通道有著各自的優(yōu)先級、來源、目的地、觸發(fā)方式、尋址模式，以及傳輸塊大小。由于RISC CPU中簡單的線性內(nèi)存地址空間以及DMA控制器的自動(dòng)增/減和重新加載的特點(diǎn)，DMA一次可傳送1到16M字節(jié)。

　　若事件系統(tǒng)與DMA控制器配合使用，就可按如下方式完成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換：任何I/O引腳上的狀態(tài)變化或任何定時(shí)器/計(jì)數(shù)器出現(xiàn)溢出，就會觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，無需任何CPU開銷。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一個(gè)DMA通道傳送到SRAM。同時(shí)，第二個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器會觸發(fā)一個(gè)高速DAC轉(zhuǎn)換，并用第二個(gè)DMA通道傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。事件系統(tǒng)會讓模擬比較器觸發(fā)輸入捕捉，以100%精度記錄時(shí)間戳，觸發(fā)自動(dòng)捕獲，記錄通信交易的起始時(shí)間戳，或在第二個(gè)ADC上掃描ADC轉(zhuǎn)換。4個(gè)事件通道仍是可使用的，它們可用于PWM輸出的故障保護(hù)，控制一個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)級、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的級聯(lián)，以及兩個(gè)通信通道，所有動(dòng)作均在同時(shí)進(jìn)行，而CPU則處于睡眠狀態(tài)。

　　圖3，XMEGA的事件處理：若事件系統(tǒng)與DMA控制器配合使用，就可按如下方式完成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換：任何I/O引腳上的狀態(tài)變化或任何定時(shí)器/計(jì)數(shù)器出現(xiàn)溢出，就會觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，無需任何CPU開銷。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一個(gè)DMA通道傳送到SRAM。

圖3，XMEGA的事件處理

　　在微控制器中增加事件系統(tǒng)和DMA對功耗有很大改善。在某些應(yīng)用中，這樣做可使MCU在大多數(shù)時(shí)間都處于睡眠模式，功率消耗僅80 uA/MHz，而所有的外設(shè)卻仍繼續(xù)工作。對一個(gè)有8個(gè)同時(shí)事件和4個(gè)350 Kbps數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用而言，一個(gè)帶有事件系統(tǒng)和DMA的8/16位MCU，每秒將有3160萬個(gè)周期處于睡眠模式，而總電流消耗僅4mA。任何不帶事件系統(tǒng)和DMA的8/16位MCU則會消耗52 至 60 mA的電流。而一個(gè)32位MCU則會消耗34.8 mA的電流，幾乎是帶有事件系統(tǒng)和DMA處理器的10倍功耗。在一個(gè)中斷頻繁和數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用中，帶有事件處理器和DMA的微控制器可節(jié)省90%的功耗。

　　有/無事件系統(tǒng)和DMA之MCU的處理周期和功耗比較見表3。

表1，有/無事件系統(tǒng)之MCU的處理周期和響應(yīng)時(shí)間比較

表2，有/無DMA的MCU傳輸350 KBps數(shù)據(jù)時(shí)的典型MIPS和功耗

表3，傳輸350Kbps 數(shù)據(jù)的中斷、MIPS和功耗比較