微控制器現(xiàn)在有一個(gè)驚人的數(shù)字，可以同時(shí)使用來(lái)卸載低級(jí)別的功能從CPU片上外設(shè)。這可以大大提高加工效率，降低功耗，并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。你可能會(huì)在一個(gè)不幸的意外，不過(guò)，如果你的外設(shè)功能壓倒內(nèi)部總線接口和數(shù)據(jù)傳輸緩慢的大幅提升。幸運(yùn)的是，微控制器制造商已經(jīng)增加了新的，高效的總線接口，常與關(guān)鍵外設(shè)和片上存儲(chǔ)器，可以幫助支持多種數(shù)據(jù)傳輸之間的多條路徑。這些新的公交車(chē)確實(shí)有局限性，但是，由于連接一切，一切是在芯片面積和功耗方面過(guò)于昂貴。了解常見(jiàn)的使用模式，這些新的片上總線將幫助您創(chuàng)建，最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬，高效的設(shè)計(jì)。本文將快速回顧一下一些常見(jiàn)的智能片上總線的功能并舉例說(shuō)明例如設(shè)計(jì)，充分利用這些關(guān)鍵功能。一些涉及的主題將包括：片上總線矩陣架構(gòu)，采用DMA控制器，專(zhuān)用外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸功能，智能緩存，公交優(yōu)先系統(tǒng)，并中斷控制。

通用總線接口架構(gòu)

幾個(gè)關(guān)鍵的架構(gòu)方法出現(xiàn)在幾乎所有的高性能總線互連結(jié)構(gòu)。這并不奇怪，因?yàn)樵陉P(guān)鍵戰(zhàn)略支持高帶寬是能夠建立可獨(dú)立運(yùn)行多個(gè)并行連接?？偩€矩陣架構(gòu)，幾個(gè)總線控制器可以獨(dú)立訪問(wèn)多個(gè)公交車(chē)奴，也許是最常見(jiàn)的構(gòu)建塊的高效率總線架構(gòu)。飛思卡爾的Kinetis K70 MCU是需要有效的數(shù)據(jù)處理和移動(dòng)互連架構(gòu)類(lèi)型的一個(gè)很好的例子。如圖1所示，飛思卡爾的Kinetis K70 MCU使用多級(jí)總線矩陣，可八個(gè)單獨(dú)的總線主控器和八個(gè)獨(dú)立總線從設(shè)備之間相互連接。這是可能的多個(gè)主機(jī)和從獨(dú)立運(yùn)作。內(nèi)存分配是非常重要的效益最大化。例如，以下操作可能所有操作在沒(méi)有重疊平行：

?核心 - 在Flash中的說(shuō)明和核心只有數(shù)據(jù)和堆棧的SRAM_L

?USB - 在SRAM_U數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

?LCD控制器 - 圖形緩沖區(qū)DDR

飛思卡爾還提供了一個(gè)模塊化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，為K70，它的飛思卡爾Tower System的一部分，使通過(guò)可重構(gòu)硬件快速原型和工具再利用。該TWR-K70F120M可與廣闊的選擇塔式系統(tǒng)的外設(shè)模塊，包括新的TWR-LCD-RGB它從K70 MCU圖形LCD控制器接受RGB數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)主機(jī)試圖訪問(wèn)一個(gè)從端口，接口將使用仲裁算法，以確定哪些主機(jī)將首先訪問(wèn)端口。兩種常見(jiàn)的仲裁方案，可以經(jīng)常用于總線訪問(wèn)是固定的優(yōu)先級(jí)或循環(huán)。在一個(gè)固定的優(yōu)先級(jí)方案中的主優(yōu)先級(jí)是固定的，通過(guò)優(yōu)先級(jí)較低的主人給予高優(yōu)先級(jí)的主站的訪問(wèn)權(quán)限。如果有幾個(gè)主站以相等的優(yōu)先權(quán)，以循環(huán)優(yōu)先級(jí)方案可以被使用。在這個(gè)方案中的主人旋轉(zhuǎn)優(yōu)先為，隨著時(shí)間的推移，有平等機(jī)會(huì)獲得資源。通知的DMA訪問(wèn)總線矩陣的重要性。通常情況下，DMA傳輸是最節(jié)能的所以對(duì)DMA具有高效的主機(jī)訪問(wèn)總線矩陣是至關(guān)重要的。一些資源將有多個(gè)連接到總線矩陣 - 注意例如DRAM控制器 - 因?yàn)樗鼈兪嵌鄠€(gè)主關(guān)鍵資源。這通過(guò)消除“訪問(wèn)阻塞”當(dāng)多個(gè)主需要訪問(wèn)相同的資源，可能會(huì)發(fā)生，提高了整體性能。

高級(jí)外設(shè)總線結(jié)構(gòu)，以提高效率

在許多MCU應(yīng)用，外設(shè)的操作是一樣的CPU和內(nèi)存操作一樣重要。它可以提高轉(zhuǎn)換效率，如果有與關(guān)鍵外設(shè)功能以及基于CPU的功能，采用先進(jìn)的總線接口。瑞薩RX600 MCU有多個(gè)外圍總線，可用于更有效地傳播帶寬負(fù)載。如圖2所示，RX600不僅具有用于面向CPU動(dòng)作的總線矩陣（在該圖的頂部示出），但多個(gè)外圍總線（在圖的底部示出），以更好地智能外設(shè)之間分配帶寬。甲顯著量周流量從來(lái)不需要訪問(wèn)CPU總線矩陣和這個(gè)提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，而不增加CPU總線矩陣的大小，通常是更高的性能以及大芯片尺寸和更高功率子系統(tǒng)。

?CPU獲取指令

?USB數(shù)據(jù)傳送到CPU

?以太網(wǎng)數(shù)據(jù)移出的SRAM

?RGB數(shù)據(jù)被移出外部的SDRAM向LCD

?ADC值加載到SRAM

?定時(shí)器數(shù)據(jù)寫(xiě)入DAC輸出

獨(dú)立的外設(shè)總線的可用性可以在多個(gè)活動(dòng)同時(shí)發(fā)生提供顯著的效率提升。在具有較少的同時(shí)外周要求的系統(tǒng)的一個(gè)或兩個(gè)外圍總線可能是足夠的。

雙CPU核心架構(gòu)

MCU可提供雙CPU內(nèi)核，像愛(ài)特梅爾SAM4C8CA，也有需要高性能總線接口，也許比單核的MCU甚至更多，因?yàn)橐栽试S每個(gè)CPU訪問(wèn)關(guān)鍵資源平行是很重要的，使得整體系統(tǒng)性能不會(huì)受到影響。在許多實(shí)現(xiàn)一個(gè)CPU具有更高的處理能力，而其他有更少的能力。這是在需要較低能的系統(tǒng)控制器和性能更高的應(yīng)用處理器設(shè)計(jì)是有用的。正如圖3所示，愛(ài)特梅爾SAM4C8C具有一個(gè)CPU與浮點(diǎn)能力而另一個(gè)具有固定點(diǎn)的CPU。 SAM4C8C具有512 KB的閃存和128 + 16 + 8 KB的SRAM。處理任務(wù)被分配到適當(dāng)?shù)腃PU，以提高效率。兩個(gè)高速AHB多層總線矩陣互連用于支持處理重疊的最大量。獨(dú)立的DMA控制器，中斷控制器，支持無(wú)需CPU干預(yù)高效的數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)簡(jiǎn)單的異步AHB至AHB橋用于處理CPU的尋址空間之間的同步和數(shù)據(jù)傳輸，即使在DMA

控制。

低功耗，高效的數(shù)據(jù)傳輸

你可能會(huì)認(rèn)為這樣的多總線架構(gòu)是針對(duì)最高性能的系統(tǒng)，但即使是低功耗應(yīng)用可以利用高效的校車(chē)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。供應(yīng)商的MSP430 MCU系列的德州儀器MSP430F5507IRGZR，集成了USB，LCD控制，以及高性能模擬所有小尺寸應(yīng)用在單一芯片上。外設(shè)有幾種方法用于操作自主，并且這可以幫助降低操作功率當(dāng)CPU置于低功率模式

通過(guò)使用外圍總線，即使在低功率的操作是可能的采樣來(lái)自ADC數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器，輸出的PWM信號(hào)，更新LCD顯示器，以及發(fā)送/接收串行數(shù)據(jù)通信保持活躍所有在CPU處于低功耗待機(jī)狀態(tài)。需要注意的是快速喚醒時(shí)間使得可以外設(shè)請(qǐng)求需要時(shí)迅速作出反應(yīng)，不燃燒一顯著量的功率而醒來(lái)。甚至短的CPU的操作可以高效具有這樣的能力。

總結(jié)

獲得最大的表現(xiàn)出一個(gè)復(fù)雜的MCU需要顯著量在需要時(shí)，向和從CPU外設(shè)和存儲(chǔ)器和，之間的重疊總線活動(dòng)的。通常情況下，最有效的實(shí)現(xiàn)將有多個(gè)傳輸同時(shí)不參與任何CPU的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的。了解MCU的總線接口架構(gòu)的能力和限制是實(shí)現(xiàn)效率的一種高層次的關(guān)鍵。

審核編輯 黃宇