第四篇：外设的智慧 —— DMA 与事件链 (Event Link)

原创于 2026-01-10 08:28:44 发布 · 467 阅读

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#嵌入式硬件 #单片机 #开发语言 #stm32 #安全

微安级的战争：嵌入式低功耗设计深究专栏收录该内容

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王者杯·14天创作挑战营·第9期 10w+人浏览 258人参与

在前几篇中，我们千方百计地让 CPU 睡觉（Tickless）、让它睡得死（Standby）、让它起得快（HSI）。但问题来了：活儿谁干？

如果传感器每毫秒都在吐数据，串口时刻都有可能来指令，CPU 是不是就得不停地被叫醒？

这就是低功耗设计的“终极悖论”。解决它的钥匙，在于打破“CPU 中心论”，把权力下放给外设。这一篇，我们看看 STM32G0 和 RL78/G23 是如何构建“自动化流水线”，实现 Zero CPU Intervention（零 CPU 干预） 的。

一、核心理念：让外设通过“私聊”解决问题

在传统的单片机编程思维里，CPU 是绝对的控制中心：

Timer 溢出 -> 中断叫醒 CPU -> CPU 启动 ADC -> CPU 等待 -> ADC 完成 -> 中断叫醒 CPU -> CPU 搬运数据 -> CPU 判断阈值。

这一套流程下来，CPU 就像个保姆，事必躬亲。而在低功耗设计中，我们要追求的是：

Timer 溢出 -> (硬件信号) -> ADC 启动 -> (硬件信号) -> DMA 搬运 -> (硬件比较) -> 只有异常才叫醒 CPU。

外设之间建立了直接的连接通道，这就是 Event Link (事件链)。

二、 STM32G0 的重武器：DMAMUX 与 Analog Watchdog

STM32G0 在这方面继承了 Arm 生态的强大算力和灵活性，它的打法是**“批量处理”**。

1. DMAMUX (DMA请求复用器)：任意互联

在老款 STM32 (如 F1) 上，ADC1 的 DMA 请求只能连到 DMA1_Channel1，这是写死的。如果你想同时用 SPI1 和 ADC1，可能会冲突。

STM32G0 引入了 DMAMUX。

原理： 它就像一个巨大的电话交换机。它允许任何外设的触发信号，连接到任何 DMA 通道。
低功耗应用：
- 配合 LPUART (低功耗串口)。在 Stop 模式下，LPUART 接收到数据唤醒时钟，通过 DMAMUX 触发 DMA 将数据搬入 SRAM。
- 关键点： 这个过程 CPU 不需要醒来处理每个字节中断，而是等收满了 100 个字节，DMA 才会发一个中断说“活干完了，老板请过目”。

2. Analog Watchdog (模拟看门狗)

这是 STM32 对抗 RL78 Snooze 模式的核心武器。

场景： 监测电池电压，低于 3.0V 报警。
做法： 配置 ADC 的 AWD (Analog Watchdog) 寄存器。
效果： DMA 默默地把 ADC 数据搬到内存（用于事后分析），而 AWD 默默地在硬件层面比较电压值。只有电压跌破 3.0V 瞬间，AWD 才会产生中断唤醒 CPU。
功耗节省： 省去了 CPU 每次都要醒来做 if (adc_val < 3.0) 的判断逻辑。

三、 RL78/G23 的杀手锏：ELC 与 DTC 的微操艺术

如果说 STM32 是开着卡车（DMA）拉货，那么 RL78 就是雇了一群蚂蚁（DTC）在搬家。RL78 的设计哲学是**“极致的细碎管理”**。

1. ELC (Event Link Controller)：硬件多米诺骨牌

RL78 拥有一个专门的硬件模块叫 ELC。它允许将一个外设的输出事件（Event），直接连到另一个外设的输入。

经典连招：
- Timer 溢出事件 ---> 触发 ADC 转换。
- ADC 转换结束事件 ---> 触发 Timer 捕获。
- Button 外部中断事件 ---> 触发 Timer 启动。
优势： 这完全是组合逻辑电路在干活，没有时钟延迟，不需要 CPU 执行任何指令，甚至不需要总线仲裁。

2. DTC (Data Transfer Controller)：比 DMA 更懂“省电”

这是 Renesas 相比于 ARM 架构的一个显著区别。RL78 既有 DMA，又有 DTC。但低功耗首选 DTC。

DMA vs DTC：
- DMA： 适合搬运“大数据块”（比如 LCD 刷屏，SPI Flash 读取）。需要在总线上霸占控制权。
- DTC： 适合搬运“离散小数据”（比如 ADC 的 2 个字节，串口的 1 个字节）。
工作流：
1. DTC 的控制块（描述源、目的、长度）放在 RAM 里，不占寄存器。
2. 事件触发 DTC。
3. DTC 像个“影子 CPU”一样，耗费 2-3 个时钟周期，偷一个指令周期，把 1 个字节搬完。
4. 关键： 它可以配置为 "Chain Transfer" (链式传输)。比如：ADC 完成 -> DTC 搬数据 -> DTC 再去写一个 GPIO 寄存器翻转 LED。
- 这实际上实现了一种**“无 CPU 的简易编程”**。

四、巅峰对决：Snooze 模式下的 ADC 采样

为了讲清楚原理，我们对比同一个场景：“每秒采集一次温度，超过 50℃ 唤醒报警，否则丢弃数据继续睡”。

选手 A：STM32G0 (Stop Mode 1 + LPTIM + ADC)

LPTIM 计时到了。
LPTIM 触发 ADC 启动 (通过 Event System)。
ADC 转换完成。
Analog Watchdog (AWD) 检查数据。
- 情况 1 (正常)： AWD 没反应。但 STM32G0 在 Stop 模式下 ADC 动作通常需要 HSI 时钟，这意味着 ADC 采样期间，系统时钟必须是开启的（虽然 CPU 可能还在 WFI）。
- 情况 2 (异常)： AWD 触发中断，CPU 醒来。

软肋： STM32 在 Stop 模式下的外设联动能力受限，往往需要退回到 Sleep 模式（高功耗）或者使用更复杂的 U5 系列（LPBAM）才能完美实现。

选手 B：RL78/G23 (Stop Mode + Snooze)

Interval Timer 计时到了。
触发 Snooze Mode：CPU 保持睡眠（Deep Sleep），只唤醒 ADC 模块和时钟。
ELC 触发 ADC 转换。
硬件窗口比较器 检查数据。
- 情况 1 (正常)： 比较通过。ADC 关机，系统自动回到全 Stop 模式。全程 CPU 无感，且没有产生任何中断，不执行任何软件代码。
- 情况 2 (异常)： 比较失败。生成中断，唤醒 CPU。

胜出： 在这种“低频监控”应用中，RL78 的 Snooze 机制是无敌的。它不仅省了搬运数据的功耗，连唤醒时钟树的开销都省到了极致。

五、实战建议与避坑

1. 什么时候用 STM32G0 的 DMA？

当你需要高吞吐量时。

例如：通过 SPI 采集 MEMS 麦克风的音频数据（16kHz 采样率），先存满 1KB 的 Buffer 再唤醒 CPU 进行 DSP 处理。

配置要点： 必须使用 __WFI() 进入 Sleep 模式，而不是 Stop 模式（因为 G0 的 DMA 在 Stop 下通常不工作，除非特定的 LPUART/LPTIM 唤醒机制）。

2. 什么时候用 RL78 的 ELC+DTC？

当你需要低延迟逻辑控制或极低功耗监控时。

例如：做一个烟雾报警器、燃气表、水表。

配置要点： 利用 Code Generator (e2 studio) 的图形化界面配置 ELC，因为 ELC 的寄存器映射非常复杂，手写容易错。

3. “幽灵数据”的陷阱

使用 DMA/DTC 最大的坑在于数据一致性 (Coherency)。

现象： CPU 醒来读 Buffer，发现数据还是旧的？
原因： CPU 的 Cache（虽然 M0+ Cache 很少，但在高级系列常见）或者总线仲裁延迟。
解决：
- STM32：使用 volatile 关键字修饰 DMA 缓冲区；在读取前检查 DMA 的 Transfer Complete 标志位。
- RL78：DTC 搬运是原子的，但要确保 CPU 不要和 DTC 同时访问同一个 RAM 地址。

六、总结

特性	STM32G0	RL78/G23
互联核心	DMAMUX (矩阵式)	ELC (点对点事件链)
数据搬运	DMA (适合大数据块)	DTC (适合离散小数据)
阈值监控	Analog Watchdog	硬件窗口比较器 + Snooze
CPU 睡眠状态	DMA 运行时通常需在 Sleep (浅睡)	Snooze 模式下 CPU 可在 Stop (深睡)
适用场景	通信网关、数据采集卡	电池供电仪表、传感器节点