事件系統和DMA實(shí)現超快響應時(shí)間和極低功耗

在多數情況下，一個(gè)外設上的信號除了要讓另一個(gè)外設知道它有事要做外，兩個(gè)外設間的聯(lián)絡(luò )卻需要大量中斷處理時(shí)間。CPU便會(huì )隨之中斷，并關(guān)斷馬達驅動(dòng)電路的PWM輸出。這個(gè)過(guò)程需要耗費數十個(gè)時(shí)鐘周期，并需要另外的20～100個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)恢復關(guān)聯(lián)。微控制器并沒(méi)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。

　　如果這些外設能夠無(wú)需中斷CPU而直接相互通信，每秒鐘就可輕易節省數百萬(wàn)個(gè)時(shí)鐘周期。8位微控制器不再適用于8位應用的一個(gè)原因，就是應用涉及的數據處理和中斷處理太多，CPU的MIPS大都耗費在這些活動(dòng)上。而外設和內存之間的傳輸數據更進(jìn)一步地增加了MCU的負擔。一個(gè)350kps的數據傳輸就要耗費22～25個(gè)CPU MIPS。

　　解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法是采用一個(gè)帶8通道事件系統和直接內存訪(fǎng)問(wèn)(DMA)的低功耗8/16位單周期RISC MCU，讓事件系統和DMA來(lái)為CPU分擔這些工作。DMA(Direct Memory Access，直接內存存取) 是所有現代電腦的重要特色，他允許不同速度的硬件裝置來(lái)溝通，而不需要依于 CPU 的大量 中斷 負載。否則，CPU 需要從 來(lái)源 把每一片段的資料復制到 暫存器，然后把他們再次寫(xiě)回到新的地方。在這個(gè)時(shí)間中，CPU 對于其他的工作來(lái)說(shuō)就無(wú)法使用。 DMA 傳輸重要地將一個(gè)內存區從一個(gè)裝置復制到另外一個(gè)。當 CPU 初始化這個(gè)傳輸動(dòng)作，傳輸動(dòng)作本身是由 DMA 控制器 來(lái)實(shí)行和完成。典型的例子就是移動(dòng)一個(gè)外部?jì)却娴膮^塊到芯片內部更快的內存區。像是這樣的操作并沒(méi)有讓處理器工作拖延，反而可以被重新排程去處理其他的工作。DMA 傳輸對于高效能 嵌入式系統 算法和網(wǎng)絡(luò )是很重要的。

　　在實(shí)現DMA傳輸時(shí)，是由DMA控制器直接掌管總線(xiàn)，因此，存在著(zhù)一個(gè)總線(xiàn)控制權轉移問(wèn)題。即DMA傳輸前，CPU要把總線(xiàn)控制權交給DMA控制器，而在結束DMA傳輸后，DMA控制器應立即把總線(xiàn)控制權再交回給CPU。

　　事件系統通過(guò)CPU數據總線(xiàn)和DMA控制器之外的一個(gè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )傳遞外設信號。有了事件系統，當一個(gè)外設出現了狀態(tài)變化，就會(huì )自動(dòng)觸發(fā)其它外設上的相應動(dòng)作。在前述馬達案例中，微控制器中的模擬比較器、定時(shí)器/計數器，I/O引腳或ADC可以在過(guò)流狀況的兩個(gè)時(shí)鐘周期內，直接關(guān)斷馬達驅動(dòng)電路的PWM輸出，不需占用任何中斷，也不耗費任何CPU時(shí)鐘資源，就可以為馬達提供更好的保護。

　　圖1，帶有事件系統總線(xiàn)的XMEGA微控制器：帶有事件系統和DMA的MCU通過(guò)CPU數據總線(xiàn)和DMA之外的一個(gè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )傳遞外設信號。這樣做的好處是外設間信號通信變成可預見(jiàn)和無(wú)延遲，并減少了CPU周期時(shí)間和釋放了中斷資源。

　　圖1，帶有事件系統總線(xiàn)的XMEGA微控制器。

　　可以觸發(fā)事件系統的外設事件包括：定時(shí)器/計數器比較匹配或溢出，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)計數器溢出。在其它外設中被觸發(fā)的事件包括：ADC或 DAC轉換，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/計數器時(shí)鐘信號，開(kāi)始一個(gè)DMA交易，或改變一個(gè)引腳輸出。

　　采用事件系統能夠消除多個(gè)和/或頻繁的中斷觸發(fā)造成的瓶頸，而且無(wú)需軟件開(kāi)銷(xiāo)，關(guān)鍵任務(wù)可獨立于CPU完成，而且也能大大降低功耗。一個(gè)沒(méi)有事件系統的傳統8位MCU要耗費16 MIPS才能完成響應馬達過(guò)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才能完成這項任務(wù)。而一個(gè)帶有事件系統的同等MCU則不消耗MIPS，而且也不會(huì )增加功耗。

　　圖2，XMEGA微控制器的事件系統：有了事件系統，一個(gè)外設上出現狀態(tài)變化就會(huì )自動(dòng)觸發(fā)其它外設上的相應動(dòng)作，且不 占用任何中斷，也不耗費任何CPU時(shí)鐘資源?？赏瑫r(shí)處理多達8個(gè)外設間事件，以及4個(gè)速率為64Mps的數據傳輸，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。

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

　　傳輸數據是另一個(gè)耗費時(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傳輸數據會(huì )帶來(lái)巨大處理開(kāi)銷(xiāo)很大。8位微控制器必須執行22 MIPS，消耗14mA電流才能完成速率350Kbps的數據傳輸。

　　只要在器件上增加一個(gè)外設DMA控制器，就可基本上解除CPU的所有這些工作負荷。當CPU數據總線(xiàn)空閑時(shí)，DMA控制器便會(huì )用它來(lái)完成內存和外設間的數據傳輸，無(wú)需使用CPU資源。連接外設寄存器的內部總線(xiàn)是分開(kāi)的，因而DMA控制器和CPU可以同時(shí)進(jìn)行總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)。

　　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數據，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據從一個(gè)外設寄存器移到內部或外部SRAM，也可在SRAM的不同地址間，甚至不同外設寄存器之間移動(dòng)數據。4個(gè)DMA通道有著(zhù)各自的優(yōu)先級、來(lái)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(jiǎn)單的線(xiàn)性?xún)却娴刂房臻g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。