淺談讓微控制器性能發(fā)揮極限的方法

假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)中斷，并在50個(gè)周期內(nèi)完成。這樣一個(gè)中斷的延時(shí)相應(yīng)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(shù)目的環(huán)境信息，而且還需訪問外設(shè)、保存數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)環(huán)境信息及清除管線。

然而，在固定性和延時(shí)方面，開發(fā)人員遇到的大多數(shù)問題并非處理單個(gè)中斷這么簡(jiǎn)單，而是當(dāng)眾多中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，應(yīng)如何在即時(shí)滿足所有要求。

當(dāng)更多的中斷出現(xiàn)時(shí)，優(yōu)先權(quán)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(shù)百乃至數(shù)千個(gè)周期來(lái)完成。

固定性直接影響到響應(yīng)性、可靠性和精度。當(dāng)開發(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(nèi)。不過，如果延時(shí)介于50到500個(gè)周期之間，即便是最優(yōu)秀的開發(fā)人員，所能做的也不過是假設(shè)一個(gè)典型延時(shí)(如200個(gè)周期)數(shù)值，然后把所有的偏離視為誤差。

通過DMA控制器和事件系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)動(dòng)電機(jī)等大負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)交流電源效率的最大化為例，來(lái)說明固定性如何影響精度。因?yàn)榇蟛糠挚捎媚芰慷荚陔妷禾幱诜逯挡⑴c電流同相時(shí)供應(yīng)，所以這時(shí)系統(tǒng)的電流消耗量應(yīng)該最大。反之，電壓越接近零(即過零點(diǎn))，可用電能就越少，而效率也越低。

比較器一般用于過零檢測(cè)，當(dāng)電壓下降至設(shè)定閾值以下或上升至閾值以上時(shí)，比較器便會(huì)接通。對(duì)兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)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)系及排列順序稱為比較。 能夠?qū)崿F(xiàn)這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。 比較器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較器的兩路輸 入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)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(dāng)作一個(gè)1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。運(yùn)算放大器在不加負(fù)反饋時(shí)從原理上講可以用作比較器，但由于運(yùn)算放大器的開環(huán)增益非常高，它只能處理輸入差分電壓非常小的信號(hào)。而且，一般情況下，運(yùn)算放大器的延遲時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足實(shí)際需求。比較器經(jīng)過調(diào)節(jié)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(nèi)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(duì)于使用比較器觸發(fā)中斷并驅(qū)使CPU開關(guān)電容的情況，事件系統(tǒng)可以把比較器事件直接發(fā)送到定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出，無(wú)需CPU干預(yù)即可控制開關(guān)。

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

當(dāng)把上面的數(shù)字跟微控制器的時(shí)鐘頻率一同考慮時(shí)，便會(huì)發(fā)現(xiàn)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(shù)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(shù)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(quán)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(hào)時(shí)也起著關(guān)鍵的作用，這里所指的并非單純的信號(hào)采樣。以創(chuàng)建100kHz波形為例，利用中斷，波形的精度將受相對(duì)于信號(hào)速率的可變延時(shí)的影響，并根據(jù)任務(wù)切換和已堆積的其它中斷數(shù)量而變得稍慢或稍快。注意，當(dāng)波形平均而言準(zhǔn)確時(shí)，在許多情況下，影響只來(lái)自是兩個(gè)連續(xù)樣本之間的相對(duì)差異。

高頻信號(hào)處理

在大量嵌入式應(yīng)用中，信號(hào)產(chǎn)生成為了一個(gè)越來(lái)越普遍的任務(wù)。信號(hào)用于產(chǎn)生聲音、管理電壓轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器、控制工業(yè)應(yīng)用中的致動(dòng)器，以及實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)其它功能。

對(duì)于發(fā)生頻率較高的事件而言，CPU負(fù)荷是一大考慮因素。以一個(gè)流量計(jì)多軸定位系統(tǒng)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(cè)量能力的儀表系統(tǒng)為例，單是采集樣本，每秒便消耗了數(shù)十到數(shù)億個(gè)周期。而若采用一個(gè)事件系統(tǒng)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(duì)于頻率較高的任務(wù)，事件系統(tǒng)和DMA控制器還能夠?qū)崿F(xiàn)以下事項(xiàng)：

精確的時(shí)間戳((time-stamping)：為采樣加上時(shí)間戳讓開發(fā)人員能夠使信號(hào)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(yuǎn)比標(biāo)注中斷更精確，并可省去后者達(dá)數(shù)千個(gè)周期的延時(shí)。

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

動(dòng)態(tài)頻率：某些應(yīng)用只在某些時(shí)間或特定工作條件下才需要較高的感測(cè)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(wěn)定時(shí)，又回復(fù)正常頻率。

降低堆棧大?。簻p少并行中斷數(shù)目的另一個(gè)好處是能夠維持較小的堆棧。由于每一個(gè)中斷都必須通過在堆棧中增加數(shù)十個(gè)寄存器來(lái)執(zhí)行環(huán)境信息保存，因此消除了好幾個(gè)環(huán)境保存層，顯著減低所需堆棧的大小，這將讓應(yīng)用能夠使用更少的RAM存儲(chǔ)器。

抗擴(kuò)展能力：鑒于不同微控制器支持的外設(shè)數(shù)目不同，同一應(yīng)用的中斷數(shù)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(tǒng)會(huì)有更多的中斷，降低了總體固定性。因此，把設(shè)計(jì)移植到集成度更高的微控制器，可能會(huì)影響信號(hào)延時(shí)乃至采樣和輸出的精度。

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易軟件改變：由于事件處理減少了CPU干預(yù)，所以系統(tǒng)可在不會(huì)影響實(shí)時(shí)響應(yīng)的情況下實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(zhí)行無(wú)數(shù)個(gè)任務(wù)來(lái)降低功耗、提高精度以及改善用戶體驗(yàn)，而許多這類任務(wù)只不過是監(jiān)控或是檢測(cè)單個(gè)數(shù)值。例如電池監(jiān)控器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直至電壓降至某個(gè)數(shù)值以下。然后，系統(tǒng)就觸發(fā)關(guān)斷操作，在仍有足夠電量時(shí)保存應(yīng)用數(shù)據(jù)。

提升用戶體驗(yàn)常常是許多消費(fèi)類產(chǎn)品的主要賣點(diǎn)。例如，事件系統(tǒng)能夠加快系統(tǒng)對(duì)喚醒按鍵或外設(shè)輸入的響應(yīng)速度，在兩個(gè)周期內(nèi)就可以做出反應(yīng)。如果與采用中斷的響應(yīng)性比較，由于中斷需要系統(tǒng)返回到工作模式，因此就降低了能效。