事件系統(tǒng)和DMA實現(xiàn)超快響應(yīng)時間和極低功耗

在多數(shù)情況下，一個外設(shè)上的信號除了要讓另一個外設(shè)知道它有事要做外，兩個外設(shè)間的聯(lián)絡(luò)卻需要大量中斷處理時間。CPU便會隨之中斷，并關(guān)斷馬達驅(qū)動電路的PWM輸出。這個過程需要耗費數(shù)十個時鐘周期，并需要另外的20～100個時鐘周期來恢復(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輸出傳遞了一個消息而已。

　　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)百萬個時鐘周期。8位微控制器不再適用于8位應(yīng)用的一個原因，就是應(yīng)用涉及的數(shù)據(jù)處理和中斷處理太多，CPU的MIPS大都耗費在這些活動上。而外設(shè)和內(nèi)存之間的傳輸數(shù)據(jù)更進一步地增加了MCU的負擔(dān)。一個350kps的數(shù)據(jù)傳輸就要耗費22～25個CPU MIPS。

　　解決這個問題的一個方法是采用一個帶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。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溝通，而不需要依于 CPU 的大量 中斷 負載。否則，CPU 需要從 來源 把每一片段的資料復(fù)制到 暫存器，然后把他們再次寫回到新的地方。在這個時間中，CPU 對于其他的工作來說就無法使用。 DMA 傳輸重要地將一個內(nèi)存區(qū)從一個裝置復(fù)制到另外一個。當 CPU 初始化這個傳輸動作，傳輸動作本身是由 DMA 控制器 來實行和完成。典型的例子就是移動一個外部內(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(tǒng) 算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。

　　在實現(xiàn)DMA傳輸時，是由DMA控制器直接掌管總線，因此，存在著一個總線控制權(quán)轉(zhuǎn)移問題。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CPU數(shù)據(jù)總線和DMA控制器之外的一個專用網(wǎng)絡(luò)傳遞外設(shè)信號。有了事件系統(tǒng)，當一個外設(shè)出現(xiàn)了狀態(tài)變化，就會自動觸發(fā)其它外設(shè)上的相應(yīng)動作。在前述馬達案例中，微控制器中的模擬比較器、定時器/計數(shù)器，I/O引腳或ADC可以在過流狀況的兩個時鐘周期內(nèi)，直接關(guān)斷馬達驅(qū)動電路的PWM輸出，不需占用任何中斷，也不耗費任何CPU時鐘資源，就可以為馬達提供更好的保護。

　　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：定時器/計數(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，以及實時計數(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間戳或ADC測量時間戳，外部頻率或脈寬測量，產(chǎn)生定時器/計數(shù)器時鐘信號，開始一個DMA交易，或改變一個引腳輸出。

　　采用事件系統(tǒng)能夠消除多個和/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)可獨立于CPU完成，而且也能大大降低功耗。一個沒有事件系統(tǒng)的傳統(tǒng)8位MCU要耗費16 MIPS才能完成響應(yīng)馬達過流信號關(guān)斷PWM的動作。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)，一個外設(shè)上出現(xiàn)狀態(tài)變化就會自動觸發(fā)其它外設(shè)上的相應(yīng)動作，且不 占用任何中斷，也不耗費任何CPU時鐘資源。可同時處理多達8個外設(shè)間事件，以及4個速率為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個時鐘周期，或者說在32 MHz 時鐘頻率下只需62.5 ns的時間;而最快響應(yīng)時間可達到31.2 ns。實際上，在8/16位MCU上采用事件系統(tǒng)，響應(yīng)時間較無事件系統(tǒng)的傳統(tǒng)32位MCU 縮短了37倍。

　　傳輸數(shù)據(jù)是另一個耗費時鐘周期和增加功耗的活動。由于CPU本身每次只能傳輸1個位，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。

　　只要在器件上增加一個外設(shè)DMA控制器，就可基本上解除CPU的所有這些工作負荷。當CPU數(shù)據(jù)總線空閑時，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)部總線是分開的，因而DMA控制器和CPU可以同時進行總線訪問。

　　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)寄存器之間移動數(shù)據(jù)。4個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控制器的自動增/減和重新加載的特點，DMA一次可傳送1到16M字節(jié)。