事件系統(tǒng)和DMA實(shí)現(xiàn)超快響應(yīng)時(shí)間和極低功耗

在多數(shù)情況下，一個(gè)外設(shè)上的信號(hào)除了要讓另一個(gè)外設(shè)知道它有事要做外，兩個(gè)外設(shè)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(dá)驅(qū)動(dòng)電路的PWM輸出。這個(gè)過(guò)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(lái)恢復(fù)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(shè)能夠無(wú)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(wàn)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(wèn)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(wèn)(DMA)的低功耗8/16位單周期RISC MCU，讓事件系統(tǒng)和DMA來(lái)為CPU分擔(dān)這些工作。DMA(Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取) 是所有現(xiàn)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(fù)載。否則，CPU 需要從 來(lái)源 把每一片段的資料復(fù)制到 暫存器，然后把他們?cè)俅螌?xiě)回到新的地方。在這個(gè)時(shí)間中，CPU 對(duì)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(nèi)存區(qū)從一個(gè)裝置復(fù)制到另外一個(gè)。當(dāng) 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?jī)?nèi)存的區(qū)塊到芯片內(nèi)部更快的內(nèi)存區(qū)。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(duì)于高效能 嵌入式系統(tǒng) 算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。

　　在實(shí)現(xiàn)DMA傳輸時(shí)，是由DMA控制器直接掌管總線，因此，存在著一個(gè)總線控制權(quán)轉(zhuǎn)移問(wèn)題。即DMA傳輸前，CPU要把總線控制權(quán)交給DMA控制器，而在結(jié)束DMA傳輸后，DMA控制器應(yīng)立即把總線控制權(quán)再交回給CPU。

　　事件系統(tǒng)通過(guò)CPU數(shù)據(jù)總線和DMA控制器之外的一個(gè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)傳遞外設(shè)信號(hào)。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(huì)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(guò)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(guò)CPU數(shù)據(jù)總線和DMA之外的一個(gè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)傳遞外設(shè)信號(hào)。這樣做的好處是外設(shè)間信號(hào)通信變成可預(yù)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(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(cè)量時(shí)間戳，外部頻率或脈寬測(cè)量，產(chǎn)生定時(shí)器/計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)，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(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(wú)需軟件開(kāi)銷(xiāo)，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(méi)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(guò)流信號(hào)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(huì)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(huì)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(shuō)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(wú)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(huì)帶來(lái)巨大處理開(kāi)銷(xiāo)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。

　　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(huì)用它來(lái)完成內(nèi)存和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)需使用CPU資源。連接外設(shè)寄存器的內(nèi)部總線是分開(kāi)的，因而DMA控制器和CPU可以同時(shí)進(jìn)行總線訪問(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(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(jí)、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)。