使用事件系统和DMA来消除中断可实现超快响应时间和极低功耗技术分类：电源技术|2010-05-30KristianSaether，爱特梅尔公司AVR产品市场经理随着嵌入式系统与外围环境的响应越来越多，需要捕获和处理数据的外设数量也暴增。微控制器通常配备ADC、DAC、PWM、多个定时器/计数器，以及大量的TWI、SPI、CAN、USB和USART通信接口。外设的增加意味着需要循环密集(cycle-intensive)的中断，而在内存和外设之间移动的数据量也会呈指数级增加。一般来说，CPU负责处理中断和移动数据。在某些应用中，CPU的大多数时间都花费在这些活动上。例如，管理两个同步外设之间的通信和64Mbps速率的单一数据传输就需要200CPUMIPS，并消耗240mA电流，原因是这涉及了广泛的场景关联转换和中断处理。要应对这些额外的计算负荷，就必须提高CPU时钟速率，因而相应地增加了功耗。在极端情况下，还必须把设计从8/16位器件转换成32位器件才能应付。在多数情况下，一个外设上的信号除了要让另一个外设知道它有事要做外，并不需要CPU做什么。可惜的是，两个外设间的联络却需要大量中断处理时间。例如，在马达控制应用中，为防止马达过热，必须不断测量马达上的电流，并在出现过流马达停转信号时触发一个模拟比较器。这样CPU便会随之中断，并关断马达驱动电路的PWM输出。这个过程需要耗费数十个时钟周期，并需要另外的20～100个时钟周期来恢复关联。微控制器并没真正被用于任何需要其处理能力的事情，只是从模拟比较器向PWM输出传递了一个消息而已；换言之CPU时钟资源基本上被浪费了。除此之外，定时器/计数器为其它外设(ADC和DAC)的定时也会耗费CPU时钟的资源。在这类情况下，都要产生一个中断来开始一次转换。在几个kHz的抽样速率下，这些定时器/计数器中断会消耗掉1MIPS，大约是一个12MIPSCPU的8%的处理能力。如果这些外设能够无需中断CPU而直接相互通信，每秒钟就可轻易节省数百万个时钟周期。8位微控制器不再适用于8位应用的一个原因，就是应用涉及的数据处理和中断处理太多，CPU的MIPS大都耗费在这些活动上。而外设和内存之间的传输数据更进一步地增加了MCU的负担。一个350kps的数据传输就要耗费22～25个CPUMIPS。解决这个问题的一个方法是采用一个带8通道事件系统和直接内存访问(DMA)的低功耗8/16位单周期RISCMCU，让事件系统和DMA来为CPU分担这些工作。这种微控制器构架可同时处理多达8个外设间事件，以及4个速率为64Mps的数据传输，而且总体电流消耗低于10mA。由于事件系统和DMA可让外设自主地相互通信，因此不再需要CPU时钟周期或中断，这样CPU也就可以处于睡眠状态了。事件系统通过CPU数据总线和DMA控制器之外的一个专用网络传递外设信号。这样做的好处是外设间信号通信变得可预见和无延迟，并减少了CPU时间和释放了中断资源。有了事件系统，当一个外设出现了状态变化，就会自动触发其它外设上的相应动作。在前述马达案例中，微控制器中的模拟比较器、定时器/计数器，I/O引脚或ADC可以在过流状况的两个时钟周期内，直接关断马达驱动电路的PWM输出，不需占用任何中断，也不耗费任何CPU时钟资源，就可以为马达提供更好的保护。图1，带有事件系统总线的XMEGA微控制器：带有事件系统和DMA的MCU通过CPU数据总线和DMA之外的一个专用网络传递外设信号。这样做的好处是外设间信号通信变成可预见和无延迟，并减少了CPU周期时间和释放了中断资源。图1，带有事件系统总线的XMEGA微控制器。可以触发事件系统的外设事件包括：定时器/计数器比较匹配或溢出，模拟比较器触发，引脚状态变化，ADC完成或比较，以及实时计数器溢出。在其它外设中被触发的事件包括：ADC或DAC转换，输入捕获以记录通信时间戳或ADC测量时间戳，外部频率或脉宽测量，产生定时器/计数器时钟信号，开始一个DMA交易，或改变一个引脚输出。至于哪些事件应该触发特定外设上的哪些动作，完全可由设计人员进行配置。事件系统配置可以是静态锁定的，也可在应用执行的不同阶段动态变化。事件通道并行运作，任何时刻都可有多达8对外设同时互联。采用事件系统能够消除多个和/或频繁的中断触发造成的瓶颈，而且无需软件开销，关键任务可独立于CPU完成，而且也能...