現代 MCU 添加了廣泛的新功能，正確使用這些功能可以顯著提高應用效率。特別是使用智能外設，可以獨立于 CPU 運行的外設，允許 CPU 并行執行其他任務或進入低功耗睡眠模式。使用這些技術中的任何一種都將提高整體處理效率并節省電力。

　　DMA 控制器

　　在進行基于 MCU 的設計時，首先遇到的智能外設之一是直接存儲器訪問 （DMA） 控制器。這個專門的硬件塊可以在內存和/或外圍設備之間傳輸數據，而無需 CPU 參與每次傳輸。先進的 DMA 控制器，例如包含在STMicroelectronics 的 STM32F4系列可以通過使用靈活的數據流分配和傳輸管理功能進一步減輕 CPU 的負擔。讓我們更詳細地了解其中的一些功能，以了解如何使用它們來提高處理效率。

　　圖 1 顯示的框圖表示 STM32F4 器件上兩個 DMA 控制器之一中可用的各種數據路徑。如圖左側所示，DMA 請求源自 8 個不同的通道（分配給各種啟用 DMA 的外設），并被路由到仲裁器上的 8 個不同的請求輸入，從而建立優先級（編號較低的輸入具有較高的優先級）。然后激活最高優先級的傳輸，圖右側的 AHB 主機執行所需的數據傳輸。存儲器和外設接口的獨立主控器進一步提高了外設到存儲器傳輸的效率，這可能是基于 MCU 設計中 DMA 的最普遍使用。

　　如圖 1 中間所示，為每個流分配單獨的 FIFO 允許針對每個外設接口的特性調整 FIFO 特性。例如，FIFO 的閾值級別（請求傳輸的深度）可以單獨設置為 FIFO 大小的 1/4、1/2 或 3/4。這允許低速通道在傳輸之前等到 FIFO 幾乎已滿，以最大限度地減少開銷。更快的通道會更快地啟動傳輸，可能是大小的 ? 以避免 FIFO 溢出。

　　圖 1：STM32F4 系列 DMA 控制器（由 STMicroelectronics 提供）。

　　要尋找的其他高級 DMA 功能與數據傳輸的管理有關。一些外設提供傳輸結束指示器，高級 DMA 控制器可以檢測并使用它來獨立于 CPU 終止傳輸。雙緩沖和循環緩沖區管理由 DMA 控制器完成，通過在傳輸期間自動重新配置源和目標來消除 CPU 開銷。如果 CPU 需要管理這些類型的低級任務，您可以看到處理效率會受到影響。

　　這種映射、優先級和管理數據傳輸活動的靈活性顯著降低了 CPU 開銷，一旦智能 DMA 控制器初始化，就可以管理傳輸并有效分配帶寬，而無需進一步的 CPU 干預。這種獨立操作的數量是任何智能外設的一個關鍵特性，設計人員在選擇目標設備時應該尋找這一特性，而我們將在接下來討論的其他智能外設中找到這一特性。

　　在串行外設中尋找智能

　　一旦理解了 DMA 的使用，就自然而然地想方設法為串行外設單元提供額外的智能，以充分利用 DMA 功能并進一步減輕 CPU 的低級功能負擔。使用集成到高速外圍設備（如以太網和 USB）中的專用 FIFO 緩沖區提供了額外的 CPU 自主性，因為可以在單個突發中分階段和處理傳輸（可能通過 DMA）以提高效率。智能外設可以根據帶寬要求設置 CPU 可以中斷的各種級別。請注意，這些獨立的 FIFO 可以與任何專用于 DMA 控制器的 FIFO 結合使用，如圖 1 所示的 STM32F4 器件。外設 FIFO 可以提供第一級緩沖，而 DMA 可以根據哪些外設同時處于活動狀態來提供第二級緩沖。當 FIFO 僅在外設上可用時，這允許額外級別的管理和控制（即智能）不可用。

　　如前所述，許多外設包括可用于請求 CPU 干預的靈活中斷，如果中斷足夠具體，可以準確地告訴 CPU 需要什么服務，則可以顯著減少響應時間。如果中斷不是智能的，CPU 需要通過各種標志或狀態位進行搜索，以確定采取什么動作。在時序預算和延遲要求最苛刻的情況下，使用具有智能中斷的外設可以產生很大的不同。

　　一些 MCU 將這種方法更進一步，并完全消除了某些操作的中斷。Energy Micro（現為Silicon Labs的一部分）EFM32GZ系列包括一個特殊的外設反射系統 （PRS），通過允許外設之間的快速和自主通信，可用于實現許多常見的中斷功能。由于來自一個外設的事件可用作輸入信號或由其他外設觸發，因此無需中斷 CPU 即可實現簡單的內務處理功能。這些信號通過四個可配置互連通道之一進行選擇和路由。生產外圍設備（產生事件的外圍設備）的輸出被路由到消費者（由事件觸發的外圍設備）并針對電平或上升/下降沿靈敏度進行調整。

　　圖 2 顯示了 PRS 的使用示例。定時器可用于觸發 ADC 轉換的開始，ADC 轉換完成信號可用于觸發 DMA 傳輸。反過來，DMA 完成信號可用于重置定時器以重新啟動序列。不需要 CPU 干預，也不需要產生中斷。請注意，在進行了一些測量（可能是 1，000 次）之后，可以將一個額外的計數器添加到用于喚醒 CPU 的 PRS。然后，CPU 可以一次處理所有 1，000 個樣本，以進一步提高處理能力和電源效率。

　　圖 2：Silicon Labs EFM32GZ 系列外圍反射系統示例（由 Silicon Labs 提供）。

　　多核 MCU 創建智能外設

　　高性能 MCU 的終極卸載引擎是一個協處理器，它可以完全獨立地管理外設 I/O 功能。最近轉向多核 MCU，例如NXP LPC4370FET100E，允許設計人員創建一個完全獨立的通道控制器，專用于外圍控制。事實上，NXP LPC4370 擁有三個 CPU 內核：主 ARM Cortex-M4 CPU、面向協處??理器的 ARM Cortex-M0 CPU 和面向特殊外設控制的 ARM? Cortex?-M0 CPU。圖 3 顯示了面向外設的 CPU（在框圖的左上方）是外設子系統的一部分，該子系統包括 AHB 子系統總線矩陣、SPI 端口、子系統 GPIO 和本地 SRAM 存儲器。核對核橋通過主 AHB 總線矩陣將子系統連接到設備的其余部分。外圍子系統擁有獨立管理外圍設備所需的所有硬件，在某些情況下，它可能是唯一一個處于活動狀態的 CPU，而其他 CPU 則處于低功耗狀態以提高電源效率。

　　圖 3：NXP LPC4370 系列框圖（由 NXP 提供）。

　　然而，智能外設控制不必止步于此。事實上，第二個 ARM Cortex-M0 CPU 也可用于外設控制，可能用于模擬 DAC 和 ADC 子系統或作為智能電機控制外設。這種智能外圍控制的分層使得僅啟用所需的子系統成為可能；高性能數據處理功能期間的主 CPU，通過 SPI 端口進行命令處理期間的低速智能外圍接口（設備的其余部分處于斷電模式），或高速智能外圍控制器期間電機控制或模擬操作。當多個內核可用于創建獨立的智能子系統時，獨立操作的可能性范圍很廣，

　　不要忽視智能模擬

　　可能很容易將注意力集中在數字外圍設備上，而忽視模擬外圍設備中的新功能，這些新功能也提高了它們的智能水平。Renesas RL78等高級 MCU 中包含的模數轉換器 （ADC）系列能夠獨立操作，類似于串行端口等數字外圍設備的描述。例如，智能 ADC 可以配置為在由硬件定時器觸發時進行周期性測量，完全獨立于 CPU。捕獲的值可以使用 DMA 功能順序存儲到內存中，并且 CPU 不需要參與，直到進行了足夠的測量以需要處理。在數字信號處理 （DSP） 應用中，可能需要進行一千次測量才能進行處理。在此期間，CPU 可以執行其他功能，或者可以進入低功耗睡眠模式，并在采集到足夠的樣本后使用定時器中斷喚醒 CPU。

　　你可能認為這種智能、自主的操作就足夠了，但正如他們在低預算的深夜電視廣告中所說的那樣，“等等，還有更多！” 瑞薩電子 RL78 ADC 還具有窗口功能，可用于進一步改進自主操作。該函數允許程序員為捕獲的 ADC 值定義一個低電平和高電平閾值（窗口），如圖 3 所示。如果捕獲的值超出定義的閾值，則可以生成中斷（如果ADRCK 控制位設置為“1”）。請注意，如果需要反向窗口，則如果值落在窗口內，則可以生成中斷。如果模擬值開始在可接受范圍之外漂移，此功能允許快速響應。如果沒有這種智能水平，將需要直到完整數據集（可能是一千次測量）的末尾被捕獲，然后大量 CPU 周期掃描整個數據集以確定該值是否已開始超出可接受范圍。 如果每 10 μs 進行一次測量并且每次進行 1，000 次測量，則對閾值違規的最壞情況響應將超過 10 ms（不包括 CPU 掃描整個數據集的時間，一直在消耗功率） 。 顯然，使用像瑞薩 RL78 上可用的窗口功能可以顯著節省處理周期時間和功耗。如果每 10 μs 進行一次測量并且每次進行 1，000 次測量，則對閾值違規的最壞情況響應將超過 10 ms（不包括 CPU 掃描整個數據集的時間，一直在消耗功率） 。 顯然，使用像瑞薩 RL78 上可用的窗口功能可以顯著節省處理周期時間和功耗。如果每 10 μs 進行一次測量，并且每次進行 1，000 次測量，那么對閾值違規的最壞情況響應將超過 10 ms（不包括 CPU 掃描整個數據集的時間，一直在消耗功率） 。 顯然，使用像瑞薩 RL78 上可用的窗口功能可以顯著節省處理周期時間和功耗。

　　圖 4：瑞薩電子 RL78 ADC 窗口函數的范圍設置（由瑞薩電子提供）。

　　智能使用低功耗模式

　　需要注意的是，將非活動 CPU 置于低功耗模式的能力可能是進一步提高電源效率的關鍵技術。TechZone 最近的一篇文章“使用 MCU 電源管理選項優化系統效率””提供了一個很好的資源來更好地了解各種可用的低功耗模式，所以我們可以在這里放棄詳細討論。我們關于低功耗模式的關鍵點是智能外圍設備，由于它們的自主操作能力，提供許多機會將 CPU 置于低功耗狀態，“節省”它們以完成它們最擅長的復雜數據處理任務。當低功耗模式與智能外設結合使用時，功耗和處理效率的提升可能會非常顯著。

　　綜上所述，MCU 已開發出多種自主功能，可用于卸載低級處理任務，以管理外設及其相關數據傳輸功能。新的多核 MCU 提供了更多機會來創建和使用智能外設，以滿足應用的特定需求。當正確集成到基于 MCU 的應用程序中時，智能外圍子系統的使用可以顯著提高處理和電源效率。不要在您的設計中忽視這些機會。