使用智能外設(shè)提高整體處理效率和節(jié)省功耗

現(xiàn)代MCU增加了一系列新功能，如果使用得當(dāng)，可以顯著提高應(yīng)用效率。特別地，使用可獨(dú)立于CPU操作的智能外圍設(shè)備，外圍設(shè)備允許CPU并行地執(zhí)行其他任務(wù)或者使其進(jìn)入低功率睡眠模式。使用這些技術(shù)中的任何一種都可以提高整體處理效率和節(jié)省功耗。

DMA控制器

基于MCU的設(shè)計(jì)中遇到的首批智能外設(shè)之一是直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）控制器。這種專用硬件模塊可以在存儲(chǔ)器和/或外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)，而不需要CPU參與每次傳輸。高級(jí)DMA控制器（例如STMicroelectronics STM32F4系列中包含的控制器）可以通過使用靈活的數(shù)據(jù)流分配和傳輸管理功能進(jìn)一步卸載CPU。讓我們更詳細(xì)地看一下這些功能，看看它們?nèi)绾斡糜谔岣咛幚硇?。圖1顯示了一個(gè)框圖，表示STM32F4器件上兩個(gè)DMA控制器之一可用的各種數(shù)據(jù)路徑。如圖左側(cè)所示，DMA請(qǐng)求來自8個(gè)不同的通道（分配給各種啟用DMA的外設(shè)），并被路由到仲裁器上的8個(gè)不同的請(qǐng)求輸入，建立優(yōu)先級(jí)（編號(hào)較低的輸入具有更高的優(yōu)先級(jí)） ）。然后激活最高優(yōu)先級(jí)的傳輸，圖右側(cè)的AHB Masters執(zhí)行所需的數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)存和外設(shè)接口的獨(dú)立主機(jī)進(jìn)一步提高了外設(shè)到內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)男?，這可能是基于MCU的設(shè)計(jì)中最常用的DMA。

為每個(gè)流分配單獨(dú)的FIFO，如圖所示在圖1的中間，允許針對(duì)每個(gè)外設(shè)接口的特性調(diào)整FIFO特性。例如，F(xiàn)IFO的閾值電平（請(qǐng)求傳輸?shù)纳疃龋┛梢詥为?dú)設(shè)置為FIFO大小的1/4，?或3/4。這允許低速通道在傳輸之前等待FIFO幾乎滿，以最小化開銷。更快的通道可以更快地啟動(dòng)傳輸，可能是?大小以避免FIFO溢出。

圖1：STM32F4系列DMA控制器（由STMicroelectronics提供）。

其他高級(jí)DMA尋找的能力與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓芾碛嘘P(guān)。某些外設(shè)提供傳輸結(jié)束指示器，高級(jí)DMA控制器可以檢測并使用它來獨(dú)立于CPU終止傳輸。 DMA控制器完成雙緩沖和循環(huán)緩沖管理，通過在傳輸過程中自動(dòng)重新配置源和目標(biāo)來消除CPU開銷。如果CPU需要管理這些類型的低級(jí)任務(wù)，您可以看到處理效率會(huì)受到影響映射，優(yōu)先級(jí)排序和管理數(shù)據(jù)傳輸活動(dòng)的這種靈活性大大降低了CPU開銷，一旦初始化了智能DMA控制器，就可以管理傳輸并有效地分配帶寬而無需進(jìn)一步的CPU干預(yù)。這種獨(dú)立操作是任何智能外設(shè)的關(guān)鍵特性，設(shè)計(jì)人員在選擇目標(biāo)器件時(shí)應(yīng)該尋找，我們將在其他智能外設(shè)中找到我們將在下面討論的內(nèi)容。

在串行外設(shè)中尋找智能《 br》一旦理解了DMA的使用，就可以自然地尋找為串行外圍設(shè)備提供額外智能的方法，以充分利用DMA功能并進(jìn)一步從低級(jí)功能中卸載CPU。集成到高速外設(shè)（如以太網(wǎng)和USB）中的專用FIFO緩沖器的使用提供了額外的CPU自治水平，因?yàn)榭梢酝ㄟ^單個(gè)突發(fā)中的傳輸來分階段和處理傳輸，以提高效率。智能外設(shè)可以根據(jù)帶寬要求設(shè)置CPU可以中斷的各種級(jí)別。請(qǐng)注意，這些獨(dú)立的FIFO可以與專用于DMA控制器的任何FIFO配合使用，如圖1所示的STM32F4器件。外設(shè)FIFO可以提供第一級(jí)緩沖，DMA可以根據(jù)哪些外設(shè)同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)來提供第二級(jí)。當(dāng)FIFO僅在外設(shè)上可用時(shí)，這允許額外級(jí)別的管理和控制（即智能）。

如前所述，許多外設(shè)包括可用于請(qǐng)求CPU干預(yù)的靈活中斷，如果中斷具體到足以告訴CPU究竟需要什么服務(wù)，響應(yīng)時(shí)間可以大大減少。如果中斷不是智能的，則CPU需要搜索各種標(biāo)志或狀態(tài)位以確定要采取的操作。在時(shí)序預(yù)算和延遲要求最具侵略性的情況下，使用具有智能中斷的外設(shè)可以產(chǎn)生很大的不同。

有些MCU采用這種方法更進(jìn)一步，完全消除了某些操作的中斷。 Energy Micro（現(xiàn)為Silicon Labs的一部分）EFM32GZ系列包括一個(gè)特殊的外設(shè)反射系統(tǒng)（PRS），可通過允許外設(shè)之間的快速和自主通信來實(shí)現(xiàn)許多常見的中斷功能。由于來自一個(gè)外圍設(shè)備的事件可以用作輸入信號(hào)或由其他外圍設(shè)備觸發(fā)，因此可以消除對(duì)CPU的中斷以實(shí)現(xiàn)簡單的內(nèi)務(wù)處理功能的需要。通過四個(gè)可配置互連通道之一選擇和路由這些信號(hào)。生成外設(shè)（產(chǎn)生事件的外設(shè)）的輸出被路由到消費(fèi)者（由事件觸發(fā)的外設(shè)）并針對(duì)電平或上升/下降沿靈敏度進(jìn)行調(diào)整。

PRS的示例使用如圖2所示。定時(shí)器可以用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換的開始，ADC轉(zhuǎn)換完成信號(hào)可用于觸發(fā)DMA傳輸。反過來，DMA完成信號(hào)可用于重置定時(shí)器以重新開始序列。無需CPU干預(yù)，無需生成中斷。請(qǐng)注意，在進(jìn)行了一些測量（可能是1，000次）之后，可以將額外的計(jì)數(shù)器添加到用于喚醒CPU的PRS中。然后，CPU可以同時(shí)處理所有1，000個(gè)樣本，以進(jìn)一步提高處理能力和功效。

圖2：Silicon Labs EFM32GZ系列外設(shè)反射系統(tǒng)示例（由Silicon Labs提供）。 》多核MCU創(chuàng)建智能外設(shè)

高性能MCU的終極卸載引擎是一個(gè)協(xié)處理器，可以完全獨(dú)立地管理外設(shè)I/O功能。最近采用NXP LPC4370FET100E的多核MCU，允許設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建一個(gè)專用于外設(shè)控制的完全獨(dú)立的通道控制器。實(shí)際上，恩智浦LPC4370有三個(gè)CPU內(nèi)核：主ARM Cortex-M4 CPU，面向協(xié)處理器的ARM Cortex-M0 CPU，以及面向外設(shè)控制的ARM?Cortex?-M0 CPU。圖3顯示了面向外設(shè)的CPU（位于框圖左上方）是外設(shè)子系統(tǒng)的一部分，該子系統(tǒng)包括AHB子系統(tǒng)總線矩陣，SPI端口，子系統(tǒng)GPIO和本地SRAM存儲(chǔ)器。核心到核心的橋通過主AHB總線矩陣將子系統(tǒng)連接到設(shè)備的其余部分。外設(shè)子系統(tǒng)具有獨(dú)立管理外設(shè)所需的所有硬件，在某些情況下可以是唯一的CPU活動(dòng)，其他CPU處于低功耗狀態(tài)以提高電源效率。

圖3：恩智浦LPC4370系列框圖（由恩智浦提供）。但是，智能外設(shè)控制無需停在那里。實(shí)際上，第二個(gè)ARM Cortex-M0 CPU也可用于外設(shè)控制，可能用于模擬DAC和ADC子系統(tǒng)，也可用作智能電機(jī)控制外設(shè)。智能外設(shè)控制的這種分層使得僅啟用所需的子系統(tǒng)成為可能;高性能數(shù)據(jù)處理功能中的主CPU，通過SPI端口進(jìn)行命令處理時(shí)的低速智能外設(shè)接口（設(shè)備的其余部分處于掉電模式），或高速智能外設(shè)控制器期間電機(jī)控制或模擬操作。當(dāng)多個(gè)內(nèi)核可用于創(chuàng)建獨(dú)立的智能子系統(tǒng)時(shí)，獨(dú)立操作的可能性很大，并且可以更輕松地針對(duì)應(yīng)用的特定需求進(jìn)行定制。

不要忽視智能模擬

可能很容易專注于數(shù)字外設(shè)，忽略了模擬外設(shè)中可用的新功能，這些功能也為他們提供了更高的智能水平。瑞薩RL78系列等高級(jí)MCU中包含的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）能夠獨(dú)立運(yùn)行，類似于串行端口等數(shù)字外設(shè)所描述的操作。例如，智能ADC可以配置為在由硬件定時(shí)器觸發(fā)時(shí)進(jìn)行定期測量，完全獨(dú)立于CPU。捕獲的值可以使用DMA功能按順序存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，并且在需要進(jìn)行足夠的測量以進(jìn)行處理之前，CPU不需要參與。在數(shù)字信號(hào)處理（DSP）應(yīng)用中，在需要處理之前可能需要進(jìn)行一千次測量。在此期間，CPU可以執(zhí)行其他功能，或者可以進(jìn)入低功耗睡眠模式和定時(shí)器中斷，用于在獲取足夠的樣本時(shí)喚醒CPU。很容易看出，在需要使用CPU捕獲和存儲(chǔ)每個(gè)ADC測量值的實(shí)現(xiàn)中，處理和功率效率都得到了很大改善。

您可能認(rèn)為這種級(jí)別的智能自主操作就足夠了，但是正如他們在低預(yù)算的深夜電視廣告中所說的那樣，“等等，還有更多！”瑞薩RL78 ADC還具有窗口功能，可用于進(jìn)一步改善自主操作。該功能允許編程人員為捕獲的ADC值定義低電平和高電平閾值（窗口），如圖3所示。如果捕獲的值超出定義的閾值，則可以生成中斷（如果ADRCK控制位設(shè)置為“1”。請(qǐng)注意，如果需要反向窗口，如果值落在窗口內(nèi)，則可以生成中斷。如果模擬值開始在可接受范圍之外漂移，則此功能允許快速響應(yīng)。如果沒有這種智能水平，則需要捕獲完整數(shù)據(jù)集（可能是一千次測量）的結(jié)束，然后大量的CPU周期掃描整個(gè)數(shù)據(jù)集以確定該值是否已開始超出可接受的范圍。如果每10μs進(jìn)行一次測量并且每次進(jìn)行1，000次測量，則對(duì)閾值違規(guī)的最壞情況響應(yīng)將超過10 ms（不包括CPU掃描整個(gè)數(shù)據(jù)集的時(shí)間，整個(gè)時(shí)間刻錄功率） 。顯然，像瑞薩RL78那樣使用窗口函數(shù)可以節(jié)省大量的處理周期時(shí)間和功耗。

圖4：瑞薩RL78 ADC窗口函數(shù)的范圍設(shè)置（由瑞薩提供。）智能使用低功耗模式

重要的是要注意，將非活動(dòng)CPU置于低功耗模式的能力是進(jìn)一步提高功效的關(guān)鍵技術(shù)。 TechZone最近的一篇文章“使用MCU電源管理選項(xiàng)來優(yōu)化系統(tǒng)效率”提供了一個(gè)很好的資源，可以更好地理解各種可用的低功耗模式，因此我們可以在此處放棄詳細(xì)討論。我們關(guān)于低功耗模式的關(guān)鍵點(diǎn)是，智能外設(shè)由于其自主運(yùn)行能力，提供了許多機(jī)會(huì)將CPU置于低功耗狀態(tài)，“節(jié)省”它們用于最擅長的復(fù)雜數(shù)據(jù)處理任務(wù)。當(dāng)?shù)凸哪Ｊ脚c智能外設(shè)結(jié)合使用時(shí)，功耗和處理效率的提高可能會(huì)非常顯著。總而言之，MCU已開發(fā)出多種自主功能，可用于卸載低級(jí)處理任務(wù)以進(jìn)行管理外圍設(shè)備及其相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸功能。新的多核MCU提供了更多創(chuàng)建和使用智能外設(shè)的機(jī)會(huì)，可以滿足應(yīng)用的特定需求。當(dāng)正確集成到基于MCU的應(yīng)用程序中時(shí)，智能外設(shè)子系統(tǒng)的使用可以顯著提高處理和功效。不要忽視設(shè)計(jì)中的這些機(jī)會(huì)。