利用事件系统和DMA来实现超快响应时间和极低功耗

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 来源 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 m