淺談讓微控制器性能發(fā)揮極限的方法

如今微控制器需要執(zhí)行廣大范圍的任務(wù)，包括管理實(shí)時(shí)控制算法、解碼高速通信協(xié)定，以及處理高頻傳感器發(fā)出的信號(hào)。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電(洗衣機(jī)、微波爐)等。微控制器(Microcontroller Unit，即MCU)可從不同方面進(jìn)行分類：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機(jī);根據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為Harvard結(jié)構(gòu)和Von Neumann結(jié)構(gòu);根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash;根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC(Complex Instruction Set Computer)和RISC(Reduced Instruction Set Computer)微控制器。

微控制器要想處理實(shí)時(shí)I/O和外設(shè)的高數(shù)據(jù)速率和頻率，便必須擁有更高的處理效率。但這個(gè)效率不能通過(guò)提高時(shí)鐘頻率來(lái)獲得，而是要通過(guò)微控制器架構(gòu)的內(nèi)部改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

卸載CPU任務(wù)還有很多方法

集成式協(xié)處理器在嵌入式微控制器中已獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，其中比較常見(jiàn)的協(xié)處理器是加密和TCP/IP卸載引擎。協(xié)處理器可高效卸載整個(gè)任務(wù)，或幫助執(zhí)行復(fù)雜算法中的密集計(jì)算部分。例如，一個(gè)加密引擎可以把CPU上的AES計(jì)算任務(wù)從每次運(yùn)算數(shù)千個(gè)周期縮減為數(shù)百個(gè)周期，而一個(gè)TCP/IP卸載引擎可以極小的CPU運(yùn)行支出來(lái)終止一個(gè)以太網(wǎng)連。

DMA控制器通過(guò)執(zhí)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)(如在后臺(tái)執(zhí)行外設(shè)寄存器到內(nèi)部或外部SRAM的數(shù)據(jù)訪問(wèn))，從CPU卸載數(shù)據(jù)移動(dòng)管理任務(wù)。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(lái)溝通，而不需要依于 CPU 的大量 中斷 負(fù)載。否則，CPU 需要從 來(lái)源 把每一片段的資料復(fù)制到 暫存器，然后把他們?cè)俅螌懟氐叫碌牡胤?。在這個(gè)時(shí)間中，CPU 對(duì)于其他的工作來(lái)說(shuō)就無(wú)法使用。 DMA 傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另外一個(gè)地址空間。當(dāng) CPU 初始化這個(gè)傳輸動(dòng)作，傳輸動(dòng)作本身是由 DMA 控制器 來(lái)實(shí)行和完成。典型的例子就是移動(dòng)一個(gè)外部?jī)?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(méi)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(duì)于高效能 嵌入式系統(tǒng) 算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。在實(shí)現(xiàn)DMA傳輸時(shí)，是由DMA控制器直接掌管總線，因此，存在著一個(gè)總線控制權(quán)轉(zhuǎn)移問(wèn)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。另外，DMA控制器還能夠承擔(dān)通信外設(shè)管理的大部分工作(見(jiàn)表1)。

表1 DMA控制器能夠承擔(dān)通信外設(shè)管理的大部分工作

利用DMA控制器所節(jié)省的周期數(shù)可以十分可觀：許多嵌入式開(kāi)發(fā)人員都已發(fā)現(xiàn)自己無(wú)法以有限的微控制器資源來(lái)滿足應(yīng)用的需求，直到認(rèn)識(shí)了DMA，才突然明白原來(lái)還有大量額外的周期可用，數(shù)目有時(shí)甚至多達(dá)整個(gè)系統(tǒng)的30%到50%左右。

熟知事件系統(tǒng)(event system)的開(kāi)發(fā)人員就更少了。事件系統(tǒng)與DMA制器協(xié)同工作，可進(jìn)一步減少CPU周期的負(fù)擔(dān)，并降低總體功耗。事件系統(tǒng)是一條總線，能夠?qū)奈⒖刂破魃系囊粋€(gè)外設(shè)發(fā)出的內(nèi)部信號(hào)連接到另一個(gè)外設(shè)。當(dāng)有事件在外設(shè)上發(fā)生時(shí)，它就可以在一個(gè)雙周期的延時(shí)內(nèi)觸發(fā)其它外設(shè)采取行動(dòng)。

更確切地說(shuō)，事件系統(tǒng)利用一個(gè)連接了CPU、數(shù)據(jù)總線和DMA控制器的專用網(wǎng)絡(luò)在整個(gè)微控制器上進(jìn)行信號(hào)路由(見(jiàn)圖1)。在正常情況下，外設(shè)必須中斷CPU來(lái)激活某個(gè)行動(dòng)，包括讀取外設(shè)本身。而事件系統(tǒng)通過(guò)直接在外設(shè)之間發(fā)送相關(guān)事件，便可有效地使CPU擺脫這些中斷所帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。CPU是一臺(tái)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。電腦中所有操作都由CPU負(fù)責(zé)讀取指令，對(duì)指令譯碼并執(zhí)行指令的核心部件。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。所謂的計(jì)算機(jī)的可編程性主要是指對(duì)CPU的編程。 CPU由運(yùn)算器、控制器和寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。差不多所有的CPU的運(yùn)作原理可分為四個(gè)階段：提取(Fetch)、解碼(Decode)、執(zhí)行(Execute)和寫回(Writeback)。

圖1 一個(gè)事件系統(tǒng)

靈活的卸載

DMA和事件系統(tǒng)配合工作，就可讓開(kāi)發(fā)人員卸載整個(gè)任務(wù)，這與協(xié)處理器的作用很類似，但兩者間的關(guān)鍵區(qū)別是協(xié)處理器不是可編程的。協(xié)處理器采用硬件來(lái)執(zhí)行一個(gè)已詳細(xì)定義的任務(wù)，有時(shí)甚至是可配置的;而DMA控制器配合事件系統(tǒng)的可編程性使其適用于從最簡(jiǎn)單的到極復(fù)雜的各類任務(wù)。在采用DMA和事件系統(tǒng)的情況下，DMA負(fù)責(zé)管理整個(gè)微處理器架構(gòu)上的數(shù)據(jù)傳輸;至于事件系統(tǒng)則控制這些低延時(shí)、高精度傳輸發(fā)生的時(shí)間。

圖2所示為事件系統(tǒng)與DMA共同工作的原理模塊示意圖。ADC連接一個(gè)傳感器，并會(huì)采集信號(hào)樣本。內(nèi)部計(jì)數(shù)器被設(shè)置為與采樣頻率相匹配，用以提供規(guī)律且精確的時(shí)間間隔。事件系統(tǒng)可以直接激活A(yù)DC的采樣，而無(wú)需中斷CPU，使采樣頻率比利用微控制器的時(shí)鐘更為精確。

圖2 DMA控制器配合事件系統(tǒng)

事件管理可擴(kuò)展為包含多個(gè)事件、連接多個(gè)外設(shè)的更復(fù)雜的配置。例如一個(gè)輸入信號(hào)(事件1)可觸發(fā)ADC采樣(事件2)，并把數(shù)值存儲(chǔ)到DMA中(事件3)，直到DMA緩沖器溢滿(事件4)。

DMA控制器和事件系統(tǒng)還支持多通道，使開(kāi)發(fā)人員能夠配置一個(gè)與主CPU并行工作的互連結(jié)構(gòu)，因此，可采用一種固定性方式來(lái)對(duì)多個(gè)并行實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

固定性和延時(shí)

固定性在限制延時(shí)和管理實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的響應(yīng)性方面扮演著關(guān)鍵的角色。系統(tǒng)的固定性越高，它的響應(yīng)性也就越穩(wěn)定。影響固定性的主要因素在于系統(tǒng)必須同時(shí)處理的中斷的數(shù)目。[!--empirenews.page--]

假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)中斷，并在50個(gè)周期內(nèi)完成。這樣一個(gè)中斷的延時(shí)相應(yīng)地在50個(gè)周期左右。要注意的是，即使最簡(jiǎn)單的中斷，微控制器也需要約50個(gè)周期的時(shí)間來(lái)保存有限寄存器數(shù)目的環(huán)境信息，而且還需訪問(wèn)外設(shè)、保存數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)環(huán)境信息及清除管線。

然而，在固定性和延時(shí)方面，開(kāi)發(fā)人員遇到的大多數(shù)問(wèn)題并非處理單個(gè)中斷這么簡(jiǎn)單，而是當(dāng)眾多中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，應(yīng)如何在即時(shí)滿足所有要求。

當(dāng)更多的中斷出現(xiàn)時(shí)，優(yōu)先權(quán)較低之中斷的延時(shí)隨固定性的下降而增加。一個(gè)50周期的任務(wù)可能多次被中斷，并最終需要數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)周期來(lái)完成。

固定性直接影響到響應(yīng)性、可靠性和精度。當(dāng)開(kāi)發(fā)人員確切知道延時(shí)是50或500個(gè)周期，便可以在處理時(shí)可將之考慮在內(nèi)。不過(guò)，如果延時(shí)介于50到500個(gè)周期之間，即便是最優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)人員，所能做的也不過(guò)是假設(shè)一個(gè)典型延時(shí)(如200個(gè)周期)數(shù)值，然后把所有的偏離視為誤差。

通過(guò)DMA控制器和事件系統(tǒng)來(lái)減少同時(shí)發(fā)生的中斷(即便是低頻中斷)，可以大大提高系統(tǒng)的固定性并減小延時(shí)，而更高的固定性還有助于精度等其它重要因素的提升。

如何獲得更高的精度

下面以一個(gè)電源管理任務(wù)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)等大負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)交流電源效率的最大化為例，來(lái)說(shuō)明固定性如何影響精度。因?yàn)榇蟛糠挚捎媚芰慷荚陔妷禾幱诜逯挡⑴c電流同相時(shí)供應(yīng)，所以這時(shí)系統(tǒng)的電流消耗量應(yīng)該最大。反之，電壓越接近零(即過(guò)零點(diǎn))，可用電能就越少，而效率也越低。

比較器一般用于過(guò)零檢測(cè)，當(dāng)電壓下降至設(shè)定閾值以下或上升至閾值以上時(shí)，比較器便會(huì)接通。對(duì)兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行比較，以確定它們是否相等，或確定它們之間的大小關(guān)系及排列順序稱為比較。 能夠?qū)崿F(xiàn)這種比較功能的電路或裝置稱為比較器。 比較器是將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較器的兩路輸 入為模擬信號(hào)，輸出則為二進(jìn)制信號(hào)，當(dāng)輸入電壓的差值增大或減小時(shí)，其輸出保持恒定。因此，也可以將其當(dāng)作一個(gè)1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。運(yùn)算放大器在不加負(fù)反饋時(shí)從原理上講可以用作比較器，但由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益非常高，它只能處理輸入差分電壓非常小的信號(hào)。而且，一般情況下，運(yùn)算放大器的延遲時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足實(shí)際需求。比較器經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)可以提供極小的時(shí)間延遲，但其頻響特性會(huì)受到一定限制。為避免輸出振蕩，許多比較器還帶有內(nèi)部滯回電路。比較器的閾值是固定的，有的只有一個(gè)閾值，有的具有兩個(gè)閾值。相對(duì)于使用比較器觸發(fā)中斷并驅(qū)使CPU開(kāi)關(guān)電容的情況，事件系統(tǒng)可以把比較器事件直接發(fā)送到定時(shí)器/計(jì)數(shù)器輸出，無(wú)需CPU干預(yù)即可控制開(kāi)關(guān)。

低優(yōu)先權(quán)任務(wù)(如PFC)的中斷延時(shí)可能需要數(shù)千個(gè)周期，而具體延時(shí)取決于有多少個(gè)優(yōu)先權(quán)更高的中斷同時(shí)發(fā)生。延時(shí)較大意味著電容會(huì)晚于最佳時(shí)刻開(kāi)關(guān)，這會(huì)顯著降低總體效率。

當(dāng)把上面的數(shù)字跟微控制器的時(shí)鐘頻率一同考慮時(shí)，便會(huì)發(fā)現(xiàn)如果微控制器的時(shí)鐘頻率為32MHz，一個(gè)雙周期延時(shí)所引入的誤差其實(shí)微不足道(2/32M);而數(shù)千個(gè)周期的延時(shí)則可能大大影響高頻任務(wù)(它們本身也需要每隔數(shù)千周期才會(huì)被處理)的精度。值得注意的是，若中斷是由優(yōu)先權(quán)較高的任務(wù)發(fā)出的，該延時(shí)可能降至50個(gè)周期左右。

更高的精度在產(chǎn)生信號(hào)時(shí)也起著關(guān)鍵的作用，這里所指的并非單純的信號(hào)采樣。以創(chuàng)建100kHz波形為例，利用中斷，波形的精度將受相對(duì)于信號(hào)速率的可變延時(shí)的影響，并根據(jù)任務(wù)切換和已堆積的其它中斷數(shù)量而變得稍慢或稍快。注意，當(dāng)波形平均而言準(zhǔn)確時(shí)，在許多情況下，影響只來(lái)自是兩個(gè)連續(xù)樣本之間的相對(duì)差異。

高頻信號(hào)處理

在大量嵌入式應(yīng)用中，信號(hào)產(chǎn)生成為了一個(gè)越來(lái)越普遍的任務(wù)。信號(hào)用于產(chǎn)生聲音、管理電壓轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器、控制工業(yè)應(yīng)用中的致動(dòng)器，以及實(shí)現(xiàn)無(wú)數(shù)其它功能。

對(duì)于發(fā)生頻率較高的事件而言，CPU負(fù)荷是一大考慮因素。以一個(gè)流量計(jì)多軸定位系統(tǒng)或一個(gè)擁有每秒采集200萬(wàn)個(gè)樣本采樣速度的快速精確測(cè)量能力的儀表系統(tǒng)為例，單是采集樣本，每秒便消耗了數(shù)十到數(shù)億個(gè)周期。而若采用一個(gè)事件系統(tǒng)和DMA控制器，所有這些周期都可從CPU卸載，而且這些樣本還會(huì)被實(shí)際處理，而不是簡(jiǎn)單地緩存。即使只是一個(gè)僅需要50個(gè)周期來(lái)完成、需要任務(wù)切換支出的簡(jiǎn)單任務(wù)，也能夠從CPU卸載一億個(gè)周期。

對(duì)于頻率較高的任務(wù)，事件系統(tǒng)和DMA控制器還能夠?qū)崿F(xiàn)以下事項(xiàng)：

精確的時(shí)間戳((time-stamping)：為采樣加上時(shí)間戳讓開(kāi)發(fā)人員能夠使信號(hào)更好地與外部事件同步。在雙周期延時(shí)的情況下，時(shí)間戳遠(yuǎn)比標(biāo)注中斷更精確，并可省去后者達(dá)數(shù)千個(gè)周期的延時(shí)。

過(guò)度采樣：提高傳感器分辨率的其中一個(gè)方法是過(guò)度采樣。譬如，把計(jì)數(shù)器除以16，可以使采樣樣本數(shù)目增加到16倍，從而提高傳感器的總體精度。由于CPU沒(méi)有直接參與樣本的采集和存儲(chǔ)，故有可能出現(xiàn)過(guò)度采樣，而無(wú)太多懲罰。

動(dòng)態(tài)頻率：某些應(yīng)用只在某些時(shí)間或特定工作條件下才需要較高的感測(cè)精度。例如，水表在水流速度快速變化時(shí)，采樣頻率會(huì)較高;而在流量被切斷或流速穩(wěn)定時(shí)，又回復(fù)正常頻率。

降低堆棧大小：減少并行中斷數(shù)目的另一個(gè)好處是能夠維持較小的堆棧。由于每一個(gè)中斷都必須通過(guò)在堆棧中增加數(shù)十個(gè)寄存器來(lái)執(zhí)行環(huán)境信息保存，因此消除了好幾個(gè)環(huán)境保存層，顯著減低所需堆棧的大小，這將讓應(yīng)用能夠使用更少的RAM存儲(chǔ)器。

抗擴(kuò)展能力：鑒于不同微控制器支持的外設(shè)數(shù)目不同，同一應(yīng)用的中斷數(shù)目可能隨產(chǎn)品價(jià)格而各有不同。即便使用同一個(gè)微控制器系列，支持更多功能的較高端系統(tǒng)會(huì)有更多的中斷，降低了總體固定性。因此，把設(shè)計(jì)移植到集成度更高的微控制器，可能會(huì)影響信號(hào)延時(shí)乃至采樣和輸出的精度。

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易軟件改變：由于事件處理減少了CPU干預(yù)，所以系統(tǒng)可在不會(huì)影響實(shí)時(shí)響應(yīng)的情況下實(shí)現(xiàn)軟件改變。即便需要更多的CPU時(shí)間來(lái)處理額外的功能，事件處理和響應(yīng)時(shí)間也將完全相同。

自主控制

一個(gè)嵌入式微控制器可能要執(zhí)行無(wú)數(shù)個(gè)任務(wù)來(lái)降低功耗、提高精度以及改善用戶體驗(yàn)，而許多這類任務(wù)只不過(guò)是監(jiān)控或是檢測(cè)單個(gè)數(shù)值。例如電池監(jiān)控器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，直至電壓降至某個(gè)數(shù)值以下。然后，系統(tǒng)就觸發(fā)關(guān)斷操作，在仍有足夠電量時(shí)保存應(yīng)用數(shù)據(jù)。

提升用戶體驗(yàn)常常是許多消費(fèi)類產(chǎn)品的主要賣點(diǎn)。例如，事件系統(tǒng)能夠加快系統(tǒng)對(duì)喚醒按鍵或外設(shè)輸入的響應(yīng)速度，在兩個(gè)周期內(nèi)就可以做出反應(yīng)。如果與采用中斷的響應(yīng)性比較，由于中斷需要系統(tǒng)返回到工作模式，因此就降低了能效。[!--empirenews.page--]

若利用中斷，對(duì)于CPU處理能力而言，執(zhí)行這類任務(wù)的成本太高，而且會(huì)增加延時(shí)，降低固定性。而采用事件系統(tǒng)和DMA控制器，開(kāi)發(fā)人員就能夠避免CPU執(zhí)行這些功能。這不僅可減少系統(tǒng)必須管理的中斷數(shù)量，而且還能簡(jiǎn)化任務(wù)的實(shí)現(xiàn)和管理。

例如，在一個(gè)在特殊工作條件下向用戶發(fā)出警示信息的應(yīng)用中，預(yù)先設(shè)置的聲音文件可以存儲(chǔ)在緩存中，再利用DMA通過(guò)適當(dāng)?shù)耐庠O(shè)饋入到揚(yáng)聲器，而利用定時(shí)器，事件系統(tǒng)就可以確保44,056KHz的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)率。此外還有一個(gè)額外的好處，因?yàn)轭l率準(zhǔn)確且穩(wěn)定，聲音保真度也得以提高。從性能角度來(lái)看，只要配置了DMA和事件系統(tǒng)。

說(shuō)這些任務(wù)變得更“自由”可能顯得有點(diǎn)夸張。不過(guò)，以這種方式執(zhí)行這些任務(wù)，的確使其能夠適用于更寬范圍的應(yīng)用。協(xié)處理器、DMA控制器和事件系統(tǒng)的結(jié)合能夠釋放控制器，讓它只進(jìn)行信號(hào)處理，而不必把大部分資源消耗在信號(hào)的周期密集型采集工作上。這樣一來(lái)，就可以利用單個(gè)控制器管理多個(gè)高頻任務(wù)。這也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使用戶能夠以更低的成本在單個(gè)微控制器上執(zhí)行更多任務(wù)，更容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)信號(hào)之間的互連性，并提高能效。

對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，能否支持多個(gè)任務(wù)可成為一項(xiàng)重要的產(chǎn)品差異化指標(biāo)。例如，采用了DMA控制器和事件系統(tǒng)的電機(jī)控制應(yīng)用，就能夠使微控制器釋放出足夠的資源，使開(kāi)發(fā)人員能夠以在不增加系統(tǒng)材料成本的條件下實(shí)現(xiàn)PFC等先進(jìn)功能。

除了通過(guò)卸載中斷來(lái)提高微控制器的性能和能力之外，事件系統(tǒng)還能夠把功耗最低降至1/7(具體數(shù)字取決于應(yīng)用)。表2所示為一個(gè)需要每秒120萬(wàn)周期的應(yīng)用的功率相關(guān)數(shù)據(jù)。在12MHz時(shí)，微控制器只有10%的時(shí)間在工作模式下，其余時(shí)間都處于待機(jī)模式。執(zhí)行DMA控制器和事件系統(tǒng)可以卸載大量CPU每秒必須執(zhí)行的周期數(shù)，使微控制器進(jìn)入閑置或睡眠模式。

表2 一個(gè)需要每秒120萬(wàn)周期的應(yīng)用的功率相關(guān)數(shù)據(jù)