MCU 應(yīng)用中用于提高效率的高級外設(shè)總線架構(gòu)

　　MCU 現(xiàn)在擁有數(shù)量驚人的片上外設(shè)，這些外設(shè)可以同時用于從 CPU 中卸載低級功能。這可以顯著提高處理效率、降低功耗并簡化您的設(shè)計。但是，如果您的外圍功能壓倒了內(nèi)部總線接口并且數(shù)據(jù)傳輸速度顯著降低，您可能會感到意外。幸運的是，MCU 制造商添加了新的高效總線接口，通常在關(guān)鍵外設(shè)和片上存儲器之間具有多條路徑，有助于支持多種數(shù)據(jù)傳輸。然而，這些新總線確實有局限性，因為將所有東西連接到其他所有東西在芯片面積和功率方面都過于昂貴。了解這些新片上總線的常用模型將幫助您創(chuàng)建高效的設(shè)計，最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬。

　　本文將快速回顧一些常見的智能片上總線特性，并將舉例說明利用這些關(guān)鍵特性的示例設(shè)計。涵蓋的一些主題包括：片上總線矩陣架構(gòu)、DMA 控制器的使用、專用外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸功能、智能緩沖、總線優(yōu)先系統(tǒng)和中斷控制。

　　通用總線接口架構(gòu)

　　幾乎每個高性能總線互連結(jié)構(gòu)中都出現(xiàn)了幾種關(guān)鍵的架構(gòu)方法。這應(yīng)該不足為奇，因為支持高帶寬的關(guān)鍵策略是能夠建立多個可以獨立運行的并行連接。總線矩陣架構(gòu)，其中幾個總線主機可以獨立訪問多個總線從機，可能是高效總線架構(gòu)最常見的構(gòu)建塊。飛思卡爾 Kinetis K70 MCU 是高效數(shù)據(jù)處理和移動所需的互連架構(gòu)類型的一個很好的例子。

　　如圖 1 所示，飛思卡爾Kinetis K70MCU 使用多級總線矩陣，可以在八個獨立的總線主控器和八個獨立的總線從屬器之間互連。多個主機和從機可以獨立運行。內(nèi)存分配對于最大化效率至關(guān)重要。例如，以下操作都可以并行操作而沒有重疊：

　　內(nèi)核 - Flash 中的指令和 SRAM_L 中的僅內(nèi)核數(shù)據(jù)和堆棧

　　USB - SRAM_U 中的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

　　LCD 控制器 - DDR 中的圖形緩沖區(qū)

　　圖 1：飛思卡爾 Kinetis K70 MCU 總線互連架構(gòu)。（由飛思卡爾提供）

　　飛思卡爾還為 K70 提供模塊化開發(fā)平臺，這是其飛思卡爾塔式系統(tǒng)的一部分，可通過可重新配置的硬件實現(xiàn)快速原型設(shè)計和工具重用。TWR-K70F120M可與多種塔式系統(tǒng)外圍模塊一起使用，包括接受來自 K70 MCU 圖形 LCD 控制器的 RGB 數(shù)據(jù)的新型 TWR-LCD-RGB。

　　當(dāng)兩個或多個主設(shè)備嘗試訪問單個從端口時，接口將使用仲裁算法來確定哪個主設(shè)備將首先訪問該端口。通?？捎糜诳偩€訪問的兩種常見仲裁方案是固定優(yōu)先級或循環(huán)法。在固定優(yōu)先級方案中，主控優(yōu)先級是固定的，賦予高優(yōu)先級主控對低優(yōu)先級主控的訪問權(quán)限。如果有多個具有相同優(yōu)先級的主設(shè)備，則可以使用循環(huán)優(yōu)先級方案。在此方案中，主機輪流優(yōu)先級，以便隨著時間的推移對資源具有平等的訪問權(quán)。

　　請注意 DMA 訪問總線矩陣的重要性。通常，DMA 傳輸是最節(jié)能的，因此 DMA 對總線矩陣進行有效的主機訪問至關(guān)重要。一些資源將與總線矩陣有多個連接——例如，注意 DRAM 控制器——因為它們是多個主控器的關(guān)鍵資源。這通過消除多個主服務(wù)器需要訪問同一資源時可能發(fā)生的“訪問阻塞”來提高整體性能。

　　用于提高效率的高級外設(shè)總線架構(gòu)

　　在許多 MCU 應(yīng)用中，外設(shè)操作與 CPU 和內(nèi)存操作一樣重要。如果有先進的總線接口與關(guān)鍵的外圍功能以及基于 CPU 的功能一起使用，它可以提高傳輸效率。瑞薩電子 RX600 MCU 具有多個外圍總線，可用于更有效地分散帶寬負載。如圖 2 所示，RX600 不僅有一個面向 CPU 的操作的總線矩陣（如圖頂部所示），還有多個外設(shè)總線（如圖底部所示），以更好地在智能外設(shè)之間分配帶寬。大量外設(shè)流量永遠不需要訪問 CPU 總線矩陣，這提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，而無需增加 CPU 總線矩陣的大小，通常是更高性能、大芯片尺寸和更高功率的子系統(tǒng)。

　　圖 2：瑞薩電子 RX600 多總線架構(gòu)分散帶寬負載。（瑞薩電子提供）

　　在圖 2 中，同時發(fā)生了六個并行數(shù)據(jù)傳輸操作：

　　CPU取指令

　　USB 數(shù)據(jù)傳輸?shù)?CPU

　　以太網(wǎng)數(shù)據(jù)移出 SRAM

　　RGB 數(shù)據(jù)從外部 SDRAM 移出到 LCD

　　ADC 值加載到 SRAM

　　定時器數(shù)據(jù)寫入 DAC 輸出

　　當(dāng)多個活動同時發(fā)生時，單獨的外圍總線的可用性可以顯著提高效率。在具有較少同時外圍設(shè)備要求的系統(tǒng)中，一個或兩個外圍總線可能就足夠了。

　　雙 CPU 內(nèi)核架構(gòu)

　　具有雙 CPU 內(nèi)核的 MCU，例如 Atmel SAM4C8CA，也需要高性能總線接口，甚至可能比單核 MCU 更多，因為允許每個 CPU 訪問關(guān)鍵資源非常重要。并行，以便整體系統(tǒng)性能不受影響。在許多實現(xiàn)中，一個 CPU 具有較高的處理能力，而另一個 CPU 具有較小的能力。這在需要較低性能系統(tǒng)控制器和較高性能應(yīng)用處理器的設(shè)計中很有用。

　　如圖 3 所示，Atmel SAM4C8C 有一個具有浮點能力的 CPU，而另一個具有定點 CPU。SAM4C8C 具有 512 KB 的 Flash 存儲器和 128+16+8 KB 的 SRAM。處理任務(wù)分配給適當(dāng)?shù)?CPU 以提高效率。兩個高速 AHB 多層總線矩陣互連用于支持最大數(shù)量的處理重疊。獨立的 DMA 控制器和中斷控制器支持高效的數(shù)據(jù)傳輸，無需 CPU 干預(yù)。一個簡單的異步 AHB 到 AHB 橋用于處理 CPU 尋址空間之間的同步和數(shù)據(jù)傳輸，即使在 DMA 控制下也是如此。

　　圖 3：Atmel 雙 CPU 內(nèi)核 SAM4C8CA 總線接口架構(gòu)。（由愛特梅爾提供）

　　低功耗和高效的數(shù)據(jù)傳輸

　　您可能會認為這些多總線架構(gòu)針對的是最高性能的系統(tǒng)，但即使是低功耗應(yīng)用程序也可以利用高效的總線架構(gòu)。Texas Instruments MSP430F5507IRGZR屬于供應(yīng)商的MSP430 MCU 系列，將 USB、LCD 控制和高性能模擬集成在一個芯片上，適用于小尺寸應(yīng)用。外設(shè)有幾種自主運行的方法，當(dāng) CPU 進入低功耗模式時，這有助于降低運行功耗，如圖 4 所示。

　　圖 4：TI MSP430 系列通過使用自主外設(shè)實現(xiàn)低功耗運行。（由 TI 提供）

　　通過使用即使在低功耗操作期間也保持活動狀態(tài)的外圍總線，可以在 CPU 運行期間從 ADC 采樣數(shù)據(jù)、將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ?、輸?PWM 信號、更新 LCD 顯示以及發(fā)送/接收串行數(shù)據(jù)通信處于低功耗待機狀態(tài)。請注意，快速喚醒時間可以在需要時快速響應(yīng)外設(shè)請求，而不會在喚醒時消耗大量電力。有了這種能力，即使是短時間的 CPU 操作也可以是高效的。

　　概括

　　從復(fù)雜的 MCU 中獲得最大性能需要外設(shè)和內(nèi)存之間的大量重疊總線活動，以及在需要時與 CPU 之間的重疊總線活動。通常，最有效的實現(xiàn)會同時進行多個傳輸，而不涉及任何 CPU 活動。了解 MCU 總線接口架構(gòu)的功能和局限性對于實現(xiàn)高效率至關(guān)重要。