淺談讓微控制器性能發(fā)揮極限的方法

假設一個(gè)系統只有一個(gè)中斷，并在50個(gè)周期內完成。這樣一個(gè)中斷的延時(shí)相應地在50個(gè)周期左右。要注意的是，即使最簡(jiǎn)單的中斷，微控制器也需要約50個(gè)周期的時(shí)間來(lái)保存有限寄存器數目的環(huán)境信息，而且還需訪(fǎng)問(wèn)外設、保存數據、存儲環(huán)境信息及清除管線(xiàn)。

然而，在固定性和延時(shí)方面，開(kāi)發(fā)人員遇到的大多數問(wèn)題并非處理單個(gè)中斷這么簡(jiǎn)單，而是當眾多中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，應如何在即時(shí)滿(mǎn)足所有要求。

當更多的中斷出現時(shí)，優(yōu)先權較低之中斷的延時(shí)隨固定性的下降而增加。一個(gè)50周期的任務(wù)可能多次被中斷，并最終需要數百乃至數千個(gè)周期來(lái)完成。

固定性直接影響到響應性、可靠性和精度。當開(kāi)發(fā)人員確切知道延時(shí)是50或500個(gè)周期，便可以在處理時(shí)可將之考慮在內。不過(guò)，如果延時(shí)介于50到500個(gè)周期之間，即便是最優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)人員，所能做的也不過(guò)是假設一個(gè)典型延時(shí)(如200個(gè)周期)數值，然后把所有的偏離視為誤差。

通過(guò)DMA控制器和事件系統來(lái)減少同時(shí)發(fā)生的中斷(即便是低頻中斷)，可以大大提高系統的固定性并減小延時(shí)，而更高的固定性還有助于精度等其它重要因素的提升。

如何獲得更高的精度

下面以一個(gè)電源管理任務(wù)在驅動(dòng)電機等大負載時(shí)實(shí)現交流電源效率的最大化為例，來(lái)說(shuō)明固定性如何影響精度。因為大部分可用能量都在電壓處于峰值并與電流同相時(shí)供應，所以這時(shí)系統的電流消耗量應該最大。反之，電壓越接近零(即過(guò)零點(diǎn))，可用電能就越少，而效率也越低。

比較器一般用于過(guò)零檢測，當電壓下降至設定閾值以下或上升至閾值以上時(shí)，比較器便會(huì )接通。對兩個(gè)或多個(gè)數據項進(jìn)行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序稱(chēng)為比較。 能夠實(shí)現這種比較功能的電路或裝置稱(chēng)為比較器。 比較器是將一個(gè)模擬電壓信號與一個(gè)基準電壓相比較的電路。比較器的兩路輸 入為模擬信號，輸出則為二進(jìn)制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。因此，也可以將其當作一個(gè)1位模/數轉換器(ADC)。運算放大器在不加負反饋時(shí)從原理上講可以用作比較器，但由于運算放大器的開(kāi)環(huán)增益非常高，它只能處理輸入差分電壓非常小的信號。而且，一般情況下，運算放大器的延遲時(shí)間較長(cháng)，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求。比較器經(jīng)過(guò)調節可以提供極小的時(shí)間延遲，但其頻響特性會(huì )受到一定限制。為避免輸出振蕩，許多比較器還帶有內部滯回電路。比較器的閾值是固定的，有的只有一個(gè)閾值，有的具有兩個(gè)閾值。相對于使用比較器觸發(fā)中斷并驅使CPU開(kāi)關(guān)電容的情況，事件系統可以把比較器事件直接發(fā)送到定時(shí)器/計數器輸出，無(wú)需CPU干預即可控制開(kāi)關(guān)。

低優(yōu)先權任務(wù)(如PFC)的中斷延時(shí)可能需要數千個(gè)周期，而具體延時(shí)取決于有多少個(gè)優(yōu)先權更高的中斷同時(shí)發(fā)生。延時(shí)較大意味著(zhù)電容會(huì )晚于最佳時(shí)刻開(kāi)關(guān)，這會(huì )顯著(zhù)降低總體效率。

當把上面的數字跟微控制器的時(shí)鐘頻率一同考慮時(shí)，便會(huì )發(fā)現如果微控制器的時(shí)鐘頻率為32MHz，一個(gè)雙周期延時(shí)所引入的誤差其實(shí)微不足道(2/32M);而數千個(gè)周期的延時(shí)則可能大大影響高頻任務(wù)(它們本身也需要每隔數千周期才會(huì )被處理)的精度。值得注意的是，若中斷是由優(yōu)先權較高的任務(wù)發(fā)出的，該延時(shí)可能降至50個(gè)周期左右。

更高的精度在產(chǎn)生信號時(shí)也起著(zhù)關(guān)鍵的作用，這里所指的并非單純的信號采樣。以創(chuàng )建100kHz波形為例，利用中斷，波形的精度將受相對于信號速率的可變延時(shí)的影響，并根據任務(wù)切換和已堆積的其它中斷數量而變得稍慢或稍快。注意，當波形平均而言準確時(shí)，在許多情況下，影響只來(lái)自是兩個(gè)連續樣本之間的相對差異。

高頻信號處理

在大量嵌入式應用中，信號產(chǎn)生成為了一個(gè)越來(lái)越普遍的任務(wù)。信號用于產(chǎn)生聲音、管理電壓轉換調節器、控制工業(yè)應用中的致動(dòng)器，以及實(shí)現無(wú)數其它功能。

對于發(fā)生頻率較高的事件而言，CPU負荷是一大考慮因素。以一個(gè)流量計多軸定位系統或一個(gè)擁有每秒采集200萬(wàn)個(gè)樣本采樣速度的快速精確測量能力的儀表系統為例，單是采集樣本，每秒便消耗了數十到數億個(gè)周期。而若采用一個(gè)事件系統和DMA控制器，所有這些周期都可從CPU卸載，而且這些樣本還會(huì )被實(shí)際處理，而不是簡(jiǎn)單地緩存。即使只是一個(gè)僅需要50個(gè)周期來(lái)完成、需要任務(wù)切換支出的簡(jiǎn)單任務(wù)，也能夠從CPU卸載一億個(gè)周期。

對于頻率較高的任務(wù)，事件系統和DMA控制器還能夠實(shí)現以下事項：

精確的時(shí)間戳((time-stamping)：為采樣加上時(shí)間戳讓開(kāi)發(fā)人員能夠使信號更好地與外部事件同步。在雙周期延時(shí)的情況下，時(shí)間戳遠比標注中斷更精確，并可省去后者達數千個(gè)周期的延時(shí)。

過(guò)度采樣：提高傳感器分辨率的其中一個(gè)方法是過(guò)度采樣。譬如，把計數器除以16，可以使采樣樣本數目增加到16倍，從而提高傳感器的總體精度。由于CPU沒(méi)有直接參與樣本的采集和存儲，故有可能出現過(guò)度采樣，而無(wú)太多懲罰。

動(dòng)態(tài)頻率：某些應用只在某些時(shí)間或特定工作條件下才需要較高的感測精度。例如，水表在水流速度快速變化時(shí)，采樣頻率會(huì )較高;而在流量被切斷或流速穩定時(shí)，又回復正常頻率。

降低堆棧大?。簻p少并行中斷數目的另一個(gè)好處是能夠維持較小的堆棧。由于每一個(gè)中斷都必須通過(guò)在堆棧中增加數十個(gè)寄存器來(lái)執行環(huán)境信息保存，因此消除了好幾個(gè)環(huán)境保存層，顯著(zhù)減低所需堆棧的大小，這將讓?xiě)媚軌蚴褂酶俚腞AM存儲器。

抗擴展能力：鑒于不同微控制器支持的外設數目不同，同一應用的中斷數目可能隨產(chǎn)品價(jià)格而各有不同。即便使用同一個(gè)微控制器系列，支持更多功能的較高端系統會(huì )有更多的中斷，降低了總體固定性。因此，把設計移植到集成度更高的微控制器，可能會(huì )影響信號延時(shí)乃至采樣和輸出的精度。

實(shí)現簡(jiǎn)易軟件改變：由于事件處理減少了CPU干預，所以系統可在不會(huì )影響實(shí)時(shí)響應的情況下實(shí)現軟件改變。即便需要更多的CPU時(shí)間來(lái)處理額外的功能，事件處理和響應時(shí)間也將完全相同。

自主控制

一個(gè)嵌入式微控制器可能要執行無(wú)數個(gè)任務(wù)來(lái)降低功耗、提高精度以及改善用戶(hù)體驗，而許多這類(lèi)任務(wù)只不過(guò)是監控或是檢測單個(gè)數值。例如電池監控器進(jìn)行監測，直至電壓降至某個(gè)數值以下。然后，系統就觸發(fā)關(guān)斷操作，在仍有足夠電量時(shí)保存應用數據。

提升用戶(hù)體驗常常是許多消費類(lèi)產(chǎn)品的主要賣(mài)點(diǎn)。例如，事件系統能夠加快系統對喚醒按鍵或外設輸入的響應速度，在兩個(gè)周期內就可以做出反應。如果與采用中斷的響應性比較，由于中斷需要系統返回到工作模式，因此就降低了能效。