隨著嵌入式系統(tǒng)與外圍環(huán)境的響應(yīng)越來越多，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機(jī)器和設(shè)備運(yùn)行的裝置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。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。

一般來說，CPU負(fù)責(zé)處理中斷和移動數(shù)據(jù)。在某些應(yīng)用中，CPU的大多數(shù)時(shí)間都花費(fèi)在這些活動上。要應(yīng)對這些額外的計(jì)算負(fù)荷，就必須提高CPU時(shí)鐘速率，因而相應(yīng)地增加了功耗。在極端情況下，還必須把設(shè)計(jì)從8/16位器件轉(zhuǎn)換成32位器件才能應(yīng)付。

在多數(shù)情況下，一個(gè)外設(shè)上的信號除了要讓另一個(gè)外設(shè)知道它有事要做外，兩個(gè)外設(shè)間的聯(lián)絡(luò)卻需要大量中斷處理時(shí)間。CPU便會隨之中斷，并關(guān)斷馬達(dá)驅(qū)動電路的PWM輸出。這個(gè)過程需要耗費(fèi)數(shù)十個(gè)時(shí)鐘周期，并需要另外的20～100個(gè)時(shí)鐘周期來恢復(fù)關(guān)聯(lián)。微控制器并沒真正被用于任何需要其處理能力的事情，只是從模擬比較器向PWM輸出傳遞了一個(gè)消息而已。

如果這些外設(shè)能夠無需中斷CPU而直接相互通信，每秒鐘就可輕易節(jié)省數(shù)百萬個(gè)時(shí)鐘周期。8位微控制器不再適用于8位應(yīng)用的一個(gè)原因，就是應(yīng)用涉及的數(shù)據(jù)處理和中斷處理太多，CPU的MIPS大都耗費(fèi)在這些活動上。而外設(shè)和內(nèi)存之間的傳輸數(shù)據(jù)更進(jìn)一步地增加了MCU的負(fù)擔(dān)。一個(gè)350kps的數(shù)據(jù)傳輸就要耗費(fèi)22～25個(gè)CPU MIPS。

解決這個(gè)問題的一個(gè)方法是采用一個(gè)帶8通道事件系統(tǒng)和直接內(nèi)存訪問（DMA）的低功耗8/16位單周期RISC MCU，讓事件系統(tǒng)和DMA來為CPU分擔(dān)這些工作。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溝通，而不需要依于 CPU 的大量 中斷 負(fù)載。否則，CPU 需要從 把每一片段的資料復(fù)制到 暫存器，然后把他們再次寫回到新的地方。在這個(gè)時(shí)間中，CPU 對于其他的工作來說就無法使用。 DMA 傳輸重要地將一個(gè)內(nèi)存區(qū)從一個(gè)裝置復(fù)制到另外一個(gè)。當(dāng) CPU 初始化這個(gè)傳輸動作，傳輸動作本身是由 DMA 控制器 來實(shí)行和完成。典型的例子就是移動一個(gè)外部內(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。

事件系統(tǒng)通過CPU數(shù)據(jù)總線和DMA控制器之外的一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)傳遞外設(shè)信號。有了事件系統(tǒng)，當(dāng)一個(gè)外設(shè)出現(xiàn)了狀態(tài)變化，就會自動觸發(fā)其它外設(shè)上的相應(yīng)動作。在前述馬達(dá)案例中，微控制器中的模擬比較器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，I/O引腳或ADC可以在過流狀況的兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，直接關(guān)斷馬達(dá)驅(qū)動電路的PWM輸出，不需占用任何中斷，也不耗費(fèi)任何CPU時(shí)鐘資源，就可以為馬達(dá)提供更好的保護(hù)。

圖1，帶有事件系統(tǒng)總線的XMEGA微控制器：帶有事件系統(tǒng)和DMA的MCU通過CPU數(shù)據(jù)總線和DMA之外的一個(gè)專用網(wǎng)絡(luò)傳遞外設(shè)信號。這樣做的好處是外設(shè)間信號通信變成可預(yù)見和無延遲，并減少了CPU周期時(shí)間和釋放了中斷資源。

圖1，帶有事件系統(tǒng)總線的XMEGA微控制器。

可以觸發(fā)事件系統(tǒng)的外設(shè)事件包括：定時(shí)器/計(jì)數(shù)器比較匹配或溢出，模擬比較器觸發(fā)，引腳狀態(tài)變化，ADC完成或比較，以及實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器溢出。在其它外設(shè)中被觸發(fā)的事件包括：ADC或 DAC轉(zhuǎn)換，輸入捕獲以記錄通信時(shí)間戳或ADC測量時(shí)間戳，外部頻率或脈寬測量，產(chǎn)生定時(shí)器/計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號，開始一個(gè)DMA交易，或改變一個(gè)引腳輸出。

采用事件系統(tǒng)能夠消除多個(gè)和/或頻繁的中斷觸發(fā)造成的瓶頸，而且無需軟件開銷，關(guān)鍵任務(wù)可獨(dú)立于CPU完成，而且也能大大降低功耗。一個(gè)沒有事件系統(tǒng)的傳統(tǒng)8位MCU要耗費(fèi)16 MIPS才能完成響應(yīng)馬達(dá)過流信號關(guān)斷PWM的動作。在16 MHz，1 MIPS/MHz，以及0.6 mA/MHz的工作條件下，微控制器需要消耗8.6 mA才能完成這項(xiàng)任務(wù)。而一個(gè)帶有事件系統(tǒng)的同等MCU則不消耗MIPS，而且也不會增加功耗。

圖2，XMEGA微控制器的事件系統(tǒng)：有了事件系統(tǒng)，一個(gè)外設(shè)上出現(xiàn)狀態(tài)變化就會自動觸發(fā)其它外設(shè)上的相應(yīng)動作，且不 占用任何中斷，也不耗費(fèi)任何CPU時(shí)鐘資源?？赏瑫r(shí)處理多達(dá)8個(gè)外設(shè)間事件，以及4個(gè)速率為64Mps的數(shù)據(jù)傳輸，而CPU處于睡眠模式，電流消耗僅10mA。

圖2，XMEGA微控制器的事件系統(tǒng)。

消除中斷后，處理響應(yīng)延遲可獲減少，而且確保最多只要2個(gè)時(shí)鐘周期，或者說在32 MHz 時(shí)鐘頻率下只需62.5 ns的時(shí)間；而最快響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到31.2 ns。實(shí)際上，在8/16位MCU上采用事件系統(tǒng)，響應(yīng)時(shí)間較無事件系統(tǒng)的傳統(tǒng)32位MCU 縮短了37倍。

傳輸數(shù)據(jù)是另一個(gè)耗費(fèi)時(shí)鐘周期和增加功耗的活動。由于CPU本身每次只能傳輸1個(gè)位，因此用CPU傳輸數(shù)據(jù)會帶來巨大處理開銷很大。8位微控制器必須執(zhí)行22 MIPS，消耗14mA電流才能完成速率350Kbps的數(shù)據(jù)傳輸。

只要在器件上增加一個(gè)外設(shè)DMA控制器，就可基本上解除CPU的所有這些工作負(fù)荷。當(dāng)CPU數(shù)據(jù)總線空閑時(shí)，DMA控制器便會用它來完成內(nèi)存和外設(shè)間的數(shù)據(jù)傳輸，無需使用CPU資源。連接外設(shè)寄存器的內(nèi)部總線是分開的，因而DMA控制器和CPU可以同時(shí)進(jìn)行總線訪問。

跟處理能力為22 MIPS、功耗為11mA但不帶DMA的8位MCU比較，使用DMA控制器傳輸350 Kbps數(shù)據(jù)，MIPS消耗可減少99%；電流消耗則低于1mA。

DMA控制器可以直接將數(shù)據(jù)從一個(gè)外設(shè)寄存器移到內(nèi)部或外部SRAM，也可在SRAM的不同地址間，甚至不同外設(shè)寄存器之間移動數(shù)據(jù)。4個(gè)DMA通道有著各自的優(yōu)先級、、目的地、觸發(fā)方式、尋址模式，以及傳輸塊大小。由于RISC CPU中簡單的線性內(nèi)存地址空間以及DMA控制器的自動增/減和重新加載的特點(diǎn)，DMA一次可傳送1到16M字節(jié)。

若事件系統(tǒng)與DMA控制器配合使用，就可按如下方式完成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換：任何I/O引腳上的狀態(tài)變化或任何定時(shí)器/計(jì)數(shù)器出現(xiàn)溢出，就會觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，無需任何CPU開銷。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一個(gè)DMA通道傳送到SRAM。同時(shí)，第二個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器會觸發(fā)一個(gè)高速DAC轉(zhuǎn)換，并用第二個(gè)DMA通道傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)。事件系統(tǒng)會讓模擬比較器觸發(fā)輸入捕捉，以100%精度記錄時(shí)間戳，觸發(fā)自動捕獲，記錄通信交易的起始時(shí)間戳，或在第二個(gè)ADC上掃描ADC轉(zhuǎn)換。4個(gè)事件通道仍是可使用的，它們可用于PWM輸出的故障保護(hù)，控制一個(gè)高壓驅(qū)動級、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的級聯(lián)，以及兩個(gè)通信通道，所有動作均在同時(shí)進(jìn)行，而CPU則處于睡眠狀態(tài)。

圖3，XMEGA的事件處理：若事件系統(tǒng)與DMA控制器配合使用，就可按如下方式完成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換：任何I/O引腳上的狀態(tài)變化或任何定時(shí)器/計(jì)數(shù)器出現(xiàn)溢出，就會觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，無需任何CPU開銷。ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一個(gè)DMA通道傳送到SRAM。

圖3，XMEGA的事件處理

在微控制器中增加事件系統(tǒng)和DMA對功耗有很大改善。在某些應(yīng)用中，這樣做可使MCU在大多數(shù)時(shí)間都處于睡眠模式，功率消耗僅80 uA/MHz，而所有的外設(shè)卻仍繼續(xù)工作。對一個(gè)有8個(gè)同時(shí)事件和4個(gè)350 Kbps數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用而言，一個(gè)帶有事件系統(tǒng)和DMA的8/16位MCU，每秒將有3160萬個(gè)周期處于睡眠模式，而總電流消耗僅4mA。任何不帶事件系統(tǒng)和DMA的8/16位MCU則會消耗52 至 60 mA的電流。而一個(gè)32位MCU則會消耗34.8 mA的電流，幾乎是帶有事件系統(tǒng)和DMA處理器的10倍功耗。

有/無事件系統(tǒng)和DMA之MCU的處理周期和功耗比較見表3。

表1，有/無事件系統(tǒng)之MCU的處理周期和響應(yīng)時(shí)間比較

表2，有/無DMA的MCU傳輸350 KBps數(shù)據(jù)時(shí)的典型MIPS和功耗

表3，傳輸350Kbps 數(shù)據(jù)的中斷、MIPS和功耗比較