实现响应时间和低功耗的事件系统的研究分析

随着嵌入式系统与外围环境的响应越来越多，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。微控制器（Microcontroller Unit，即MCU）可从不同方面进行分类：根据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机；根据存储器结构可分为Harvard结构和Von Neumann结构；根据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和闪存Flash；根据指令结构又可分为CISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）微控制器。

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。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，两个外设间的联络却需要大量中断处理时间。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。

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CPU MIPS。

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RISC MCU，让事件系统和DMA来为CPU分担这些工作。DMA（Direct Memory Access，直接内存存取） 是所有现代电脑的重要特色，他允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依于 CPU 的大量 中断 负载。否则，CPU 需要从 把每一片段的资料复制到 暂存器，然后把他们再次写回到新的地方。在这个时间中，CPU 对于其他的工作来说就无法使用。 DMA 传输重要地将一个内存区从一个装置复制到另外一个。当 CPU 初始化这个传输动作，传输动作本身是由 DMA 控制器 来实行和完成。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。像是这样的操作并没有让处理器工作拖延，反而可以被重新排程去处理其他的工作。DMA 传输对于高效能 嵌入式系统 算法和网络是很重要的。

在实现DMA传输时，是由DMA控制器直接掌管总线，因此，存在着一个总线控制权转移问题。即DMA传输前，CPU要把总线控制权交给DMA控制器，而在结束DMA传输后，DMA控制器应立即把总线控制权再交回给CPU。

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。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。

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，而且也能大大降低功耗。一个没有事件系统的传统8位MCU要耗费16 MIPS才能完成响应马达过流信号关断PWM的动作。在16 MHz，1 MIPS/MHz，以及0.6 mA/MHz的工作条件下，微控制器需要消耗8.6 mA才能完成这项任务。而一个带有事件系统的同等MCU则不消耗MIPS，而且也不会增加功耗。

图2，XMEGA微控制器的事件系统：有了事件系统，一个外设上出现状态变化就会自动触发其它外设上的相应动作，且不 占用任何中断，也不耗费任何CPU时钟资源。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CPU处于睡眠模式，电流消耗仅10mA。

图2，XMEGA微控制器的事件系统。

消除中断后，处理响应延迟可获减少，而且确保最多只要2个时钟周期，或者说在32 MHz 时钟频率下只需62.5 ns的时间；而最快响应时间可达到31.2 ns。实际上，在8/16位MCU上采用事件系统，响应时间较无事件系统的传统32位MCU 缩短了37倍。

传输数据是另一个耗费时钟周期和增加功耗的活动。由于CPU本身每次只能传输1个位，因此用CPU传输数据会带来巨大处理开销很大。8位微控制器必须执行22 MIPS，消耗14mA电流才能完成速率350Kbps的数据传输。

只要在器件上增加一个外设DMA控制器，就可基本上解除CPU的所有这些工作负荷。当CPU数据总线空闲时，DMA控制器便会用它来完成内存和外设间的数据传输，无需使用CPU资源。连接外设寄存器的内部总线是分开的，因而DMA控制器和CPU可以同时进行总线访问。

跟处理能力为22 MIPS、功耗为11mA但不带DMA的8位MCU比较，使用DMA控制器传输350 Kbps数据，MIPS消耗可减少99%；电流消耗则低于1mA。

DMA控制器可以直接将数据从一个外设寄存器移到内部或外部SRAM，也可在SRAM的不同地址间，甚至不同外设寄存器之间移动数据。4个DMA通道有着各自的优先级、、目的地、触发方式、寻址模式，以及传输块大小。由于RISC CPU中简单的线性内存地址空间以及DMA控制器的自动增/减和重新加载的特点，DMA一次可传送1到16M字节。

若事件系统与DMA控制器配合使用，就可按如下方式完成模数和数模转换：任何I/O引脚上的状态变化或任何定时器/计数器出现溢出，就会触发ADC转换，无需任何CPU开销。ADC转换结果通过一个DMA通道传送到SRAM。同时，第二个定时器/计数器会触发一个高速DAC转换，并用第二个DMA通道传输相应的数据。事件系统会让模拟比较器触发输入捕捉，以100%精度记录时间戳，触发自动捕获，记录通信交易的起始时间戳，或在第二个ADC上扫描ADC转换。4个事件通道仍是可使用的，它们可用于PWM输出的故障保护，控制一个高压驱动级、定时器/计数器的级联，以及两个通信通道，所有动作均在同时进行，而CPU则处于睡眠状态。

图3，XMEGA的事件处理：若事件系统与DMA控制器配合使用，就可按如下方式完成模数和数模转换：任何I/O引脚上的状态变化或任何定时器/计数器出现溢出，就会触发ADC转换，无需任何CPU开销。ADC转换结果通过一个DMA通道传送到SRAM。

图3，XMEGA的事件处理

在微控制器中增加事件系统和DMA对功耗有很大改善。在某些应用中，这样做可使MCU在大多数时间都处于睡眠模式，功率消耗仅80 uA/MHz，而所有的外设却仍继续工作。对一个有8个同时事件和4个350 Kbps数据传输的应用而言，一个带有事件系统和DMA的8/16位MCU，每秒将有3160万个周期处于睡眠模式，而总电流消耗仅4mA。任何不带事件系统和DMA的8/16位MCU则会消耗52 至 60 mA的电流。而一个32位MCU则会消耗34.8 mA的电流，几乎是带有事件系统和DMA处理器的10倍功耗。

有/无事件系统和DMA之MCU的处理周期和功耗比较见表3。

表1，有/无事件系统之MCU的处理周期和响应时间比较

表2，有/无DMA的MCU传输350 KBps数据时的典型MIPS和功耗

表3，传输350Kbps 数据的中断、MIPS和功耗比较