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生活在邊緣的微控制器的挑戰(zhàn)

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì) ? 作者:Markus Levy,Mark Wa ? 2022-08-28 11:13 ? 次閱讀

從高度簡(jiǎn)化的角度來看,物聯(lián)網(wǎng)IoT) 的結(jié)構(gòu)由三個(gè)概念元素組成:邊緣節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)或集線器,以及云或數(shù)據(jù)中心。邊緣節(jié)點(diǎn)是物聯(lián)網(wǎng)中的“事物”。邊緣節(jié)點(diǎn)在互聯(lián)網(wǎng)或本地網(wǎng)絡(luò)的虛擬數(shù)字世界與真實(shí)模擬世界之間提供接口。根據(jù)應(yīng)用程序,邊緣節(jié)點(diǎn)可以收集數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)或兩者兼而有之。如果它是一個(gè)收集器,邊緣節(jié)點(diǎn)通常從傳感器(或傳感器)獲取數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù),并將其傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。如果事物從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù),它會(huì)處理數(shù)據(jù)并以某種方式驅(qū)動(dòng)連接的傳感器。

邊緣節(jié)點(diǎn)的功能可以用四個(gè)特征來描述。一個(gè)特征是它用于將現(xiàn)實(shí)世界信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器類型,反之亦然(例如,溫度、壓力、血液化學(xué)或腦電波)。表征邊緣節(jié)點(diǎn)的另一種方法是通過它用于連接傳感器和處理器微控制器MCU) 的接口,例如使用 SPI/I2C、GPIO、PWM 或 ADC/DAC。邊緣節(jié)點(diǎn)的功能還通過使轉(zhuǎn)換器信息適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)所需的處理來描述,反之亦然(例如,加密、壓縮、糾錯(cuò)、協(xié)議棧和數(shù)據(jù)分析)。最后,邊緣節(jié)點(diǎn)可以通過其通信機(jī)制和用于在事物和網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)送或接收信息的協(xié)議來描述。

對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類

邊緣節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域或多或少任意分組。例如,家庭自動(dòng)化包括用于控制或監(jiān)控家庭或辦公室系統(tǒng)和設(shè)備的任何東西,例如照明或環(huán)境控制或電器(例如冷凍機(jī)、洗衣機(jī)、咖啡機(jī)、火警)。另一方面,“可穿戴”或“便攜式”是指在使用時(shí)穿戴或攜帶在人身上的任何東西。示例包括智能手表、智能眼鏡、心率監(jiān)測(cè)器、計(jì)步器、GPS 跟蹤設(shè)備、血糖監(jiān)測(cè)器、音樂或視頻播放器以及無線耳機(jī)或麥克風(fēng)。還有健康、環(huán)境等類別,當(dāng)然還有傳統(tǒng)的機(jī)器對(duì)機(jī)器 (M2M) 應(yīng)用。類別之間有相當(dāng)程度的重疊,

許多邊緣節(jié)點(diǎn),尤其是在“可穿戴”領(lǐng)域,都是超低功耗 (ULP) 應(yīng)用。這些應(yīng)用程序的特點(diǎn)是由電池供電,活動(dòng)時(shí)間短,偶爾會(huì)穿插長時(shí)間不活動(dòng),并且可能不經(jīng)常進(jìn)行人為干預(yù)。超低功耗突出了能源效率作為此類設(shè)備的關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn),并規(guī)定了數(shù)周、數(shù)月、數(shù)年甚至數(shù)十年的電池壽命。

用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的 ULP MCU

現(xiàn)在您已經(jīng)消化了本節(jié)子標(biāo)題的所有首字母縮略詞,回想一下我們之前的討論,生活在邊緣的許多“事物”必須利用 ULP MCU 來處理用戶界面、收集和傳輸傳感器數(shù)據(jù)、提供安全功能以及管理其他任務(wù)。“事情”設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)問題是確定這些 MCU 是否經(jīng)過優(yōu)化以滿足其應(yīng)用的性能和效率要求,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的較長電池壽命。

超低功耗對(duì)不同的應(yīng)用意味著不同的東西。在某些情況下,當(dāng)電源受到嚴(yán)格限制(例如,能量收集)時(shí),需要最低有效電流。或者,當(dāng)系統(tǒng)大部分時(shí)間處于待機(jī)或睡眠模式時(shí),需要最低的睡眠電流,不經(jīng)常(定期或異步)喚醒以處理某些任務(wù)。此外,ULP 還意味著高能效,因此大部分工作都在有限的時(shí)間內(nèi)完成。總體而言,該應(yīng)用程序?qū)⑿枰獙?duì)上述所有內(nèi)容進(jìn)行組合或權(quán)衡。

有許多因素可以使 MCU 獲得 ULP 稱號(hào)。一個(gè)因素是通過 MCU 外設(shè)提供的智能類型和程度。例如,我們前面提到的 SPI、GPIO、PWM 和 ADC 等外圍設(shè)備,如果供應(yīng)商設(shè)計(jì)正確,可以顯著幫助減輕 CPU 負(fù)載,從而使設(shè)備在睡眠模式下花費(fèi)更多時(shí)間。還有一種趨勢(shì)是從 8 位和 16 位 CPU 轉(zhuǎn)向 32 位 CPU,以幫助更快地執(zhí)行活動(dòng)模式任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行得越快,消耗的能量就越少,因?yàn)橛捎陟o態(tài)電流而浪費(fèi)的能量與在活動(dòng)模式下花費(fèi)的時(shí)間成正比,而執(zhí)行任務(wù)所花費(fèi)的有用能量或多或少是一個(gè)恒定值。

有助于生產(chǎn) ULP MCU 的其他因素包括物理 IP、低泄漏工藝節(jié)點(diǎn)和低功耗內(nèi)存技術(shù)的選擇。由于較小的柵極電容和較低的工作電壓,使用較小的幾何形狀會(huì)降低有功功率,但會(huì)在時(shí)鐘停止時(shí)增加泄漏電流。出于這個(gè)原因,電源門控在較小的幾何形狀中變得更加重要。

同樣從芯片設(shè)計(jì)的角度來看,供應(yīng)商可以實(shí)現(xiàn)各種形式的門控。只要有可能,時(shí)鐘門控就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉各種電路塊的時(shí)鐘信號(hào)。更有效的是電源門控,它會(huì)在可能的情況下關(guān)閉芯片內(nèi)部模塊的電源。通過使用狀態(tài)保持電源門控 (SRPG) 可以實(shí)現(xiàn)更高的能源效率,從而關(guān)閉芯片內(nèi)部大多數(shù)邏輯塊的電源,而數(shù)字電路的狀態(tài)保持在保持元件中。

影響能源效率的最大因素之一是使用低電源電壓。由于功率與電壓的平方成正比,從 3V 變?yōu)?1.5V 會(huì)使能量減少四倍,其他條件相同。即使電池電壓高得多,高效率降壓穩(wěn)壓器也能做到這一點(diǎn)。將

lowgn ncy n與高效降壓穩(wěn)壓器結(jié)合使用可減少

睡眠時(shí)的漏電流

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)師要注意數(shù)據(jù)表參數(shù)

雖然數(shù)據(jù)表參數(shù)對(duì)于進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任何人來說通常都是準(zhǔn)確且必不可少的,但在使用這些參數(shù)來分析和比較不同設(shè)備(包括 MCU 和幾乎所有其他設(shè)備)時(shí)必須小心。供應(yīng)商在量化參數(shù)時(shí)傾向于使用不同的規(guī)格。例如,對(duì)于 MCU,執(zhí)行功耗分析時(shí)應(yīng)該使用什么工作負(fù)載?工作負(fù)載可能只是運(yùn)行“while (1)”循環(huán)的幾行代碼,或者更真實(shí)的東西。

一些供應(yīng)商正轉(zhuǎn)向使用 EEMBC CoreMark 基準(zhǔn)作為功率和/或能量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)工作負(fù)載。一般來說,CoreMark 對(duì)于低功耗 MCU 來說已經(jīng)足夠了,但對(duì)于 ULP 來說,它會(huì)超出預(yù)期。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,CR2032-230 mAh / 90% 可用電池的使用壽命是通過以 16 MHz 和每秒 1 次迭代運(yùn)行 CoreMark 計(jì)算得出的。在使用的 32 位 MCU 上,電池壽命達(dá)到 46-59 小時(shí),而 MCU 的實(shí)時(shí)日歷功能將在 9-11 年之間運(yùn)行 - 這代表了幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。

但是,確定 ULP 能效所需的工作負(fù)載比 CoreMark 更小,此外,CoreMark 僅適用于活動(dòng)模式電源,而沒有考慮到大多數(shù) ULP 應(yīng)用程序在處理器停止的情況下在空閑模式下花費(fèi)大量時(shí)間這一事實(shí)。除了工作量確定之外,被測(cè)設(shè)備的條件和物理設(shè)置應(yīng)該是什么?應(yīng)該使用什么占空比來表示從活動(dòng)狀態(tài)到低功耗狀態(tài)的轉(zhuǎn)換?時(shí)鐘源應(yīng)該如何使用?工作負(fù)載應(yīng)該從閃存還是 RAM 運(yùn)行?輸入電壓是多少?所有這些細(xì)節(jié)都必須由所有供應(yīng)商指定和使用,以允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行蘋果對(duì)蘋果的比較。

為了事物和其他 ULP 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)者的利益

為 ULP 設(shè)備供電的能效制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)遠(yuǎn)比直接的性能基準(zhǔn)復(fù)雜得多。至少,必須回答上一段中的所有問題,但最大的挑戰(zhàn)是讓所有供應(yīng)商就一致的方法達(dá)成一致。在來自 Analog Devices、ARMAtmel、Cypress、Freescale、Microchip、RenesasSilicon Labs、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 的代表的辛勤工作和決心下,EEMBC 建立了 ULPBench,這是一個(gè)為測(cè)量能量提供一致方法的基準(zhǔn)效率展示了有功功率和空閑(睡眠)功率狀態(tài)。

除了建立運(yùn)行規(guī)則和操作環(huán)境外,該集團(tuán)還意識(shí)??到,ULPBench 需要在 100 美元以下的價(jià)格范圍內(nèi)推廣準(zhǔn)確的能源測(cè)量工具。盡管 ULP 領(lǐng)域的大多數(shù) MCU 供應(yīng)商已將用于測(cè)量功率的專有工具集成到其評(píng)估/開發(fā)板中,但仍然沒有普遍認(rèn)可的方法。為了滿足這一需求,EEMBC 生產(chǎn)了 EnergyMonitor,這是一種用于被測(cè)目標(biāo)設(shè)備的 USB 供電電壓/電流源。它通過一個(gè) 100 mm 的 2 針接頭連接到目標(biāo)設(shè)備,并且可以測(cè)量在 3V 高達(dá) 28 mA 上運(yùn)行的任何東西的能耗。EnergyMonitor 的預(yù)期應(yīng)用是測(cè)量 MCU 能耗,但它也可用于測(cè)量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的傳感器或其他組件的能耗。

MCU 供應(yīng)商正在分階段創(chuàng)建 ULPBench。第 1 階段 - 稱為核心配置文件 - 側(cè)重于核心消耗的能量以及自動(dòng)喚醒功能。第 2 階段和所有后續(xù)階段將專注于更多的系統(tǒng)集成,包括各種外圍設(shè)備的使用。使用 Core Profile,工作負(fù)載在每個(gè)占空比期間消耗 10,000-20,000 個(gè) CPU 周期,具體取決于 MCU 架構(gòu)的效率。該器件使用低功耗定時(shí)器每秒喚醒 MCU 一次以執(zhí)行工作負(fù)載(如圖 2 中的階梯效應(yīng)所示)。

量化數(shù)據(jù)表編號(hào)

ULPBench 絕對(duì)是朝著在數(shù)據(jù)表中指定能量值的一致規(guī)則邁出的正確方向邁出的一步。用戶仍然必須仔細(xì)查看確切的細(xì)節(jié)。例如,應(yīng)用程序的占空比(在活動(dòng)模式下花費(fèi)的時(shí)間長度與在空閑模式下花費(fèi)的時(shí)間)必須與 ULPBench 進(jìn)行比較。如果應(yīng)用程序經(jīng)?;蜷L時(shí)間喚醒,則活動(dòng)模式能量將占主導(dǎo)地位,相反,如果應(yīng)用程序不頻繁且短暫地喚醒,則空閑模式能量將占主導(dǎo)地位。在這種情況下,ULPBench 分?jǐn)?shù)可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo),因?yàn)樗噲D在活動(dòng)模式和空閑模式能量之間取得平衡。

此外,用戶應(yīng)查看啟用了哪種低功耗模式(這將是最低能量狀態(tài)與轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式所需的延遲或時(shí)間之間的平衡)。由于在測(cè)試的活動(dòng)模式期間消耗了很大一部分能量,因此最好使用為獲得最高性能(最小化活動(dòng)周期)而編譯的工作負(fù)載代碼。理想情況下,將顯示多個(gè)編譯器和編譯選項(xiàng)的結(jié)果。

審核編輯:郭婷

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