淺談讓微控制器性能發(fā)揮極限的方法

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

然而，在固定性和延時方面，開發(fā)人員遇到的大多數(shù)問題并非處理單個中斷這么簡單，而是當眾多中斷同時發(fā)生時，應(yīng)如何在即時滿足所有要求。

當更多的中斷出現(xiàn)時，優(yōu)先權(quán)較低之中斷的延時隨固定性的下降而增加。一個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)千個周期來完成。

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

通過DMA控制器和事件系統(tǒng)來減少同時發(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，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

下面以一個電源管理任務(wù)在驅(qū)動電機等大負載時實現(xiàn)交流電源效率的最大化為例，來說明固定性如何影響精度。因為大部分可用能量都在電壓處于峰值并與電流同相時供應(yīng)，所以這時系統(tǒng)的電流消耗量應(yīng)該最大。反之，電壓越接近零(即過零點)，可用電能就越少，而效率也越低。

比較器一般用于過零檢測，當電壓下降至設(shè)定閾值以下或上升至閾值以上時，比較器便會接通。對兩個或多個數(shù)據(jù)項進行比較，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。 比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。比較器的兩路輸 入為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。因此，也可以將其當作一個1位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。運算放大器在不加負反饋時從原理上講可以用作比較器，但由于運算放大器的開環(huán)增益非常高，它只能處理輸入差分電壓非常小的信號。而且，一般情況下，運算放大器的延遲時間較長，無法滿足實際需求。比較器經(jīng)過調(diào)節(jié)可以提供極小的時間延遲，但其頻響特性會受到一定限制。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，有的只有一個閾值，有的具有兩個閾值。相對于使用比較器觸發(fā)中斷并驅(qū)使CPU開關(guān)電容的情況，事件系統(tǒng)可以把比較器事件直接發(fā)送到定時器/計數(shù)器輸出，無需CPU干預(yù)即可控制開關(guān)。

低優(yōu)先權(quán)任務(wù)(如PFC)的中斷延時可能需要數(shù)千個周期，而具體延時取決于有多少個優(yōu)先權(quán)更高的中斷同時發(fā)生。延時較大意味著電容會晚于最佳時刻開關(guān)，這會顯著降低總體效率。

當把上面的數(shù)字跟微控制器的時鐘頻率一同考慮時，便會發(fā)現(xiàn)如果微控制器的時鐘頻率為32MHz，一個雙周期延時所引入的誤差其實微不足道(2/32M);而數(shù)千個周期的延時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，該延時可能降至50個周期左右。

更高的精度在產(chǎn)生信號時也起著關(guān)鍵的作用，這里所指的并非單純的信號采樣。以創(chuàng)建100kHz波形為例，利用中斷，波形的精度將受相對于信號速率的可變延時的影響，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，當波形平均而言準確時，在許多情況下，影響只來自是兩個連續(xù)樣本之間的相對差異。

高頻信號處理

在大量嵌入式應(yīng)用中，信號產(chǎn)生成為了一個越來越普遍的任務(wù)。信號用于產(chǎn)生聲音、管理電壓轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)器、控制工業(yè)應(yīng)用中的致動器，以及實現(xiàn)無數(shù)其它功能。

對于發(fā)生頻率較高的事件而言，CPU負荷是一大考慮因素。以一個流量計多軸定位系統(tǒng)或一個擁有每秒采集200萬個樣本采樣速度的快速精確測量能力的儀表系統(tǒng)為例，單是采集樣本，每秒便消耗了數(shù)十到數(shù)億個周期。而若采用一個事件系統(tǒng)和DMA控制器，所有這些周期都可從CPU卸載，而且這些樣本還會被實際處理，而不是簡單地緩存。即使只是一個僅需要50個周期來完成、需要任務(wù)切換支出的簡單任務(wù)，也能夠從CPU卸載一億個周期。

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

精確的時間戳((time-stamping)：為采樣加上時間戳讓開發(fā)人員能夠使信號更好地與外部事件同步。在雙周期延時的情況下，時間戳遠比標注中斷更精確，并可省去后者達數(shù)千個周期的延時。

過度采樣：提高傳感器分辨率的其中一個方法是過度采樣。譬如，把計數(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沒有直接參與樣本的采集和存儲，故有可能出現(xiàn)過度采樣，而無太多懲罰。

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

降低堆棧大?。簻p少并行中斷數(shù)目的另一個好處是能夠維持較小的堆棧。由于每一個中斷都必須通過在堆棧中增加數(shù)十個寄存器來執(zhí)行環(huán)境信息保存，因此消除了好幾個環(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存儲器。

抗擴展能力：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)品價格而各有不同。即便使用同一個微控制器系列，支持更多功能的較高端系統(tǒng)會有更多的中斷，降低了總體固定性。因此，把設(shè)計移植到集成度更高的微控制器，可能會影響信號延時乃至采樣和輸出的精度。

實現(xiàn)簡易軟件改變：由于事件處理減少了CPU干預(yù)，所以系統(tǒng)可在不會影響實時響應(yīng)的情況下實現(xiàn)軟件改變。即便需要更多的CPU時間來處理額外的功能，事件處理和響應(yīng)時間也將完全相同。

自主控制

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

提升用戶體驗常常是許多消費類產(chǎn)品的主要賣點。例如，事件系統(tǒng)能夠加快系統(tǒng)對喚醒按鍵或外設(shè)輸入的響應(yīng)速度，在兩個周期內(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。