開發(fā)超低功耗系統(tǒng)時(shí)選擇合適的微控制器的策略

物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 正在推動(dòng)對(duì)各種電池供電設(shè)備的巨大需求。這反過來又推動(dòng)了對(duì)微控制器和其他系統(tǒng)級(jí)組件不斷提高能效的要求。因此，超低功耗（ULP）已成為一個(gè)過度使用的營銷短語，尤其是在用于描述微控制器時(shí)。作為理解ULP背后真正含義的第一步，請(qǐng)考慮其含義的多樣性。在某些情況下，當(dāng)電源受到嚴(yán)重限制（例如，能量收集）時(shí)，需要最低的有功電流?；蛘?，當(dāng)系統(tǒng)大部分時(shí)間處于待機(jī)或睡眠模式，不經(jīng)常（定期或異步）喚醒以處理任務(wù)時(shí)，需要最低的睡眠模式電流。此外，ULP還可以意味著能源效率，因此大多數(shù)工作都是在有限的時(shí)間內(nèi)完成的。總體而言，電池供電設(shè)備將根據(jù)一系列權(quán)衡利用這些要求的組合。

當(dāng)然，ULP 也是一個(gè)意見和功能問題——例如，我們通常認(rèn)為微控制器單元 （MCU） 是 ULP，其活動(dòng)模式范圍為 30 μA/MHz 至 40 μA/MHz，關(guān)斷電流為 50 nA 至 70 nA。然而，將微控制器歸類為超低功耗是各種特性的復(fù)雜組合，包括架構(gòu)、SoC 設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、智能外設(shè)和深度睡眠模式。在本文中，我們將研究ADI公司的兩款微控制器，以幫助您了解如何在這種情況下解釋超低功耗的真正含義。我們還將研究EEMBC聯(lián)盟的認(rèn)證機(jī)制，該機(jī)制確保分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確性，以幫助系統(tǒng)開發(fā)人員為其解決方案選擇最合適的微控制器。

測量和優(yōu)化超低功耗

作為理解ULP的起點(diǎn)，我們首先解釋如何測量它。開發(fā)人員通常會(huì)查看數(shù)據(jù)手冊，在那里可以找到每MHz的電流值，以及不同睡眠模式的電流。第一個(gè)問題是，在查看有功電流消耗時(shí)，數(shù)據(jù)手冊通常無法解釋獲得該值的條件，例如代碼、電壓和閃存上的等待狀態(tài)。一些供應(yīng)商使用主動(dòng)模式引用，例如EEMBC CoreMark，而其他供應(yīng)商將使用像運(yùn)行“while 1”語句這樣簡單的東西。如果閃存上存在等待狀態(tài)，微控制器單元的性能會(huì)降低，從而增加執(zhí)行時(shí)間，從而增加執(zhí)行任務(wù)的能耗。一些供應(yīng)商提供典型電壓的數(shù)字，其他供應(yīng)商提供最低電壓的數(shù)字，而其他供應(yīng)商則不指定任何電壓。也許這些都是微妙的差異，但沒有標(biāo)準(zhǔn)，比較只是近似的。

通常，數(shù)據(jù)手冊中對(duì)深度睡眠模式進(jìn)行了很好的解釋，但同樣，獲得這些模式的電流消耗的條件因供應(yīng)商而異（例如，保留的內(nèi)存量或電壓）。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，用戶還必須考慮進(jìn)入和退出這些模式時(shí)消耗的能量。這可能是一個(gè)微不足道的值，也可能是真正相關(guān)的，具體取決于設(shè)備大部分時(shí)間是否處于睡眠模式或頻繁喚醒。這就引出了下一點(diǎn)——設(shè)備在睡眠中花費(fèi)了多少時(shí)間？活動(dòng)模式和睡眠模式之間的平衡對(duì)于確定ULP測量非常重要。為了簡化流程，EEMBC為其ULPMark-CoreProfile（ULPMark-CP）使用了1秒周期，該基準(zhǔn)測試被許多微控制器供應(yīng)商用作數(shù)據(jù)手冊標(biāo)準(zhǔn)。注意：使用1秒的決定是EEMBC工作組的共識(shí)?？紤]到ULPMark-CoreProfile工作負(fù)載的活動(dòng)時(shí)間，占空比約為2%。在此基準(zhǔn)測試中，設(shè)備每秒喚醒一次，執(zhí)行少量工作（活動(dòng)周期），然后返回睡眠狀態(tài)。

通常，在有源模式下，由于模擬電路，電流消耗會(huì)有所偏移，因此，最小化有源電流并有效使用深度睡眠模式對(duì)于優(yōu)化整體系統(tǒng)能源使用是有意義的。請(qǐng)注意，通過降低頻率，有功電流將減少，但時(shí)間會(huì)增加，并且前面提到的模擬電路引起的失調(diào)在微控制器處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)保持不變。但是，微控制器選擇之間的權(quán)衡是什么，應(yīng)用的占空比和深度睡眠電流對(duì)該能量有何影響？

每個(gè)周期的能量作為占空比D的函數(shù)（以活動(dòng)模式下的時(shí)間與總時(shí)間的百分比給出）由一個(gè)簡化的方程定義，該方程假設(shè)開和關(guān)轉(zhuǎn)換中的能量很小。

其中斜率由 I 定義上自從我睡比我小得多上而 y 截距只是我睡.該方程有助于理解占空比，其中有功電流比睡眠電流更重要。

圖1.ULPMark-CP的周期為1秒。在此期間，設(shè)備將從深度睡眠模式喚醒，執(zhí)行固定工作負(fù)載，然后返回到深度睡眠模式。

超低功耗測試平臺(tái)

如前所述，我們將比較ADI公司兩款微控制器ADuCM4050和ADuCM302x的超低功耗（能量）。在ULPMark結(jié)果表中，ADuCM4050和ADuCM302x分別獲得了203和245.5的分?jǐn)?shù)。請(qǐng)記住，此基準(zhǔn)測試僅執(zhí)行微控制器單元的內(nèi)核（因此稱為CoreProfile）。如何解釋18%的差異？

ADuCM4050內(nèi)置一個(gè)實(shí)現(xiàn)ARMv7E-M架構(gòu)的ARM Cortex-M4F。ADuCM302x包含一個(gè)實(shí)現(xiàn)ARMv7-M架構(gòu)的ARM Cortex-M3。雖然兩個(gè)內(nèi)核都有一個(gè)具有分支推測的 3 級(jí)流水線，并且在指令集架構(gòu)上都相似，但只有 Cortex-M4F 支持 DSP 和浮點(diǎn)指令。由于ULPMark-CoreProfile上沒有DSP指令，Cortex-M4F部件沒有利用FPU。??

對(duì)于基準(zhǔn)分析，ADuCM4050和ADuCM302x的工作頻率分別為52 MHz和26 MHz。ADuCM4050執(zhí)行ULPMark工作負(fù)載需要約11，284個(gè)周期，ADuCM302x需要10，920個(gè)周期，這意味著前者在1秒周期的217 μs內(nèi)完成活動(dòng)模式部分，而后者在420 μs內(nèi)有效。ADuCM4050使用的周期比ADuCM3029多幾個(gè)，是因?yàn)槭褂玫念l率（分別為52 MHz和26 MHz），ADuCM4050需要一個(gè)等待閃存狀態(tài)，而ADuCM3029在閃存上沒有等待狀態(tài)。由于ADuCM4050具有高速緩存，因此在閃存上添加等待狀態(tài)不會(huì)造成重大損失，因?yàn)樵S多指令是從高速緩存執(zhí)行的，可以全速（52 MHz）訪問，而無需額外的等待狀態(tài)。在執(zhí)行時(shí)間方面，正如預(yù)期的那樣，ADuCM4050的工作負(fù)載執(zhí)行速度比ADuCM3029快，因?yàn)樗倪\(yùn)行頻率是ADuM3029的兩倍。

但是，為什么ADuCM4050的功耗比ADuCM3029高10 μA/MHz？這種增加背后的原因是，前者的工作頻率可能是后者的兩倍，需要額外的緩沖器來完成更高頻率的時(shí)序約束。與ADuCM3029相比，ADuCM4050還具有一些額外的特性：

存儲(chǔ)器大小翻倍（SRAM和閃存）：分別為128 kB和512 kB，而ADuCM3029為64 kB和256 kB。根據(jù)應(yīng)用程序需求，您可能需要額外的存儲(chǔ)空間。

雙頻：ADuCM3029為52 MHz，而ADuCM3029為26 MHz，因此ADuCM4050具有更好的性能。

添加了 RGB 計(jì)時(shí)器。

添加了新的安全功能：具有密鑰包裝-解包功能的受保護(hù)密鑰存儲(chǔ)和具有密鑰解包的密鑰 HMAC。

添加了三個(gè)額外的傳感器頻閃?輸出。

增加了完整的SRAM保留：ADuCM4050可保留高達(dá)124 kB，而ADuCM3029可保留高達(dá)32 kB。

圖2.ULPMark-CP的前10個(gè)結(jié)果，位于EEMBC網(wǎng)站（18千2017年8月）。1

根據(jù)應(yīng)用需求（功耗優(yōu)化、額外存儲(chǔ)、主動(dòng)性能、保持能力等），您可以決定使用ADuCM4050或ADuCM302x產(chǎn)品。

在深度睡眠模式下，ADuCM4050的休眠電流是運(yùn)行ULPMark-CoreProfile時(shí)ADuCM3029的兩倍（前者為16 kB，后者為8 kB）。這種改進(jìn)的原因是較新的ADuCM4050產(chǎn)品上的架構(gòu)得到增強(qiáng)。

編譯器的作用

如上所述，ULPMark 由兩種操作狀態(tài)組成 — 活動(dòng)狀態(tài)和設(shè)備處于睡眠模式的低功耗狀態(tài)。這些狀態(tài)組合成正好 1 秒的時(shí)間段。在活動(dòng)狀態(tài)下，每個(gè)設(shè)備執(zhí)行相同的工作負(fù)載。但正如我們所看到的，這項(xiàng)工作的效率受到架構(gòu)的影響。此外，它還受編譯器的影響。編譯器可以選擇更改和優(yōu)化語句，以便指令組合將更改。

根據(jù)應(yīng)用程序需求，您可以優(yōu)化大小、速度、平衡大小和速度等。循環(huán)展開是一個(gè)簡單的示例，其中執(zhí)行的分支與循環(huán)內(nèi)代碼的比率發(fā)生變化。編譯器仍然可以在尋找更好的計(jì)算結(jié)果方法方面發(fā)揮重要作用，但所做的工作是等效的。例如，ADuCM3029的ULPMark-CP結(jié)果可能從速度優(yōu)化高的245.5到中等優(yōu)化的232或低優(yōu)化的209不等。編譯器重要性的另一個(gè)例子是德州儀器 MSP430FR5969 的 ULPMark 結(jié)果，通過應(yīng)用較新版本的 IAR 嵌入式工作臺(tái)編譯器，編譯器提高了 5%，盡管不知道為完成此改進(jìn)進(jìn)行了哪些內(nèi)部編譯器更改 （www.eembc.org/ulpbench/）。同樣，如果不深入了解專有編譯器技術(shù)，就無法確定為什么意法半導(dǎo)體STM32L476RG的結(jié)果在從ARMCC編譯器到IAR編譯器的過程中提高了16%。

ADI公司MCU的兩個(gè)結(jié)果都是使用IAR編譯器編譯的代碼生成的，但版本不同。ADuCM4050和ADuCM302x分別使用IAR EWARM 7.60.1.11216和7.50.2.10505。同樣，不可能知道進(jìn)行了哪些內(nèi)部更改。兩個(gè)分?jǐn)?shù)都是使用與優(yōu)化速度相對(duì)應(yīng)的no_size_constraints選項(xiàng)提交的。

將 ULPMark 轉(zhuǎn)換為能量值

ULPMark-CoreProfile 使用一個(gè)公式，該公式取能量值的倒數(shù)（中位數(shù)為 5× 10 個(gè)周期每秒的平均能量）。

能量作為設(shè)備執(zhí)行工作負(fù)載（在活動(dòng)模式下）和設(shè)備處于休眠狀態(tài)時(shí)消耗的能量的總和獲得。

根據(jù)ADuCM3029數(shù)據(jù)手冊，運(yùn)行質(zhì)數(shù)代碼時(shí)，有源電流的典型值為980 μA。此代碼適合緩存并利用其較低的功耗。對(duì)于ULPMark-CoreProfile代碼，由于它主要是線性代碼，因此啟用緩存沒有太大的好處，因此電流消耗類似于禁用緩存的數(shù)據(jù)手冊中顯示的電流消耗，為1.28 mA。對(duì)于休眠電流，ULPMark-CoreProfile 需要啟用 LFXTAL 和 RTC，因此休眠模式下的電流消耗為 830 nA（根據(jù)數(shù)據(jù)手冊）。如前所述，活動(dòng)持續(xù)時(shí)間為420 μs。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊編號(hào)和執(zhí)行時(shí)間，有功電流的能量為1.61 μJ，睡眠期間消耗的能量為2.49 μJ。根據(jù)這些值得出的分?jǐn)?shù)與使用EEMBC EnergyMonitor軟件測量的分?jǐn)?shù)相匹配。

第一代ULPMark的缺點(diǎn)之一是運(yùn)行規(guī)則將工作電壓限制為3 V（由工作組以這種方式實(shí)現(xiàn)，為所有設(shè)備建立通用電平）。大多數(shù)現(xiàn)代MCU在較低電壓下運(yùn)行具有更好的能效（盡管這可能會(huì)受到溫度和工作頻率的影響）。例如，意法半導(dǎo)體STM32L476RG的ULPMark性能提高了19%，采用DC-DC轉(zhuǎn)換器將電壓從3 V降至1.8 V。

圖3.ADuCM4050的框圖它集成了一個(gè)1.2 V低壓差穩(wěn)壓器（LDO）和一個(gè)可選的容性降壓轉(zhuǎn)換器。

意法半導(dǎo)體STM32L476RG并不是唯一一款公布結(jié)果受DC-DC轉(zhuǎn)換器影響的器件，盡管在某些器件中，轉(zhuǎn)換器集成在器件本身中，如ADuCM302x和ADuCM4050，無需外部IC即可提高器件的電源性能。然而，使用DC-DC轉(zhuǎn)換器有助于創(chuàng)造公平的競爭環(huán)境，因?yàn)樗试S器件以最佳能效運(yùn)行。例如，僅在3 V下工作的器件將無法從DC-DC轉(zhuǎn)換器中受益，因?yàn)樗呀?jīng)處于最佳（或次優(yōu)）效率。另一方面，一個(gè)可以在低至1.8 V電壓下工作但不能利用DC-DC轉(zhuǎn)換器的器件基本上浪費(fèi)了64%的供電能量。此外，對(duì)于優(yōu)先考慮能效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，如果系統(tǒng)使用3 V電池，則外部DC-DC轉(zhuǎn)換器的額外成本可能并不重要。使用DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)必須小心，以避免測量轉(zhuǎn)換器而不是MCU的能效。然而，必須考慮到，在實(shí)際應(yīng)用中，DC-DC工作模式可能存在缺點(diǎn)，例如從/到活動(dòng)模式/到睡眠模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間延長。

使用DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)的另一個(gè)考慮因素是轉(zhuǎn)換器的類型。一些轉(zhuǎn)換器是基于電感的，它們意味著更大的面積、更高的成本和可能的電磁干擾（EMI）問題。ADuCM4050和ADuCM302x器件使用容性轉(zhuǎn)換器來避免這些問題。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱用戶指南UG-1091“如何設(shè)置和使用ADuCM3027/ADuCM3029微控制器”。

在分析 ULPMark-CP 結(jié)果甚至數(shù)據(jù)手冊值時(shí)，請(qǐng)務(wù)必確認(rèn)器件差異。換句話說，在測量設(shè)備的能效時(shí)，漏電流是一個(gè)重要因素，尤其是在睡眠模式下。雖然傳統(tǒng)的性能基準(zhǔn)通常不受影響，但溫度和濕度等各種因素都會(huì)對(duì)器件的漏電流產(chǎn)生一定程度的影響，進(jìn)而影響其ULPMark-CP結(jié)果。在制造業(yè)中，供應(yīng)商的設(shè)備每天都會(huì)有所不同，晶圓與晶圓之間也會(huì)有所不同。即使是完全相同的設(shè)備的能耗也可能有所不同（我們已經(jīng)看到從5%到15%不等的變化，具體取決于進(jìn)行測量的時(shí)間和地點(diǎn)）。從根本上說，這意味著給定的ULPMark-CP分?jǐn)?shù)應(yīng)該用作能源效率的指南。例如，ULPMark 結(jié)果為 245 的器件在取自不同晶圓的同一器件上可能介于 233 到 257 之間（假設(shè)增量為 5%）。

認(rèn)證機(jī)制——建立信譽(yù)

為了確保分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確性，愿意認(rèn)證其設(shè)備的供應(yīng)商將電路板和工具與特定于平臺(tái)的配置文件一起發(fā)送到EEMBC技術(shù)中心（ETC）。EEMBC將平臺(tái)配置文件集成到其系統(tǒng)文件（包括工作負(fù)載）中，并在不同的板上多次測量分?jǐn)?shù)。認(rèn)證的分?jǐn)?shù)是所有測量值的平均值。

通過這種方式，EEMBC確保所有分?jǐn)?shù)的條件都相同（相同的工作量，相同的能量監(jiān)控板，相似的溫度等）。

圖4顯示了在ADuCM3029 EZ-Kit上測量ULPMark-CP的連接設(shè)置。

圖4.用于測量分?jǐn)?shù)的板設(shè)置。

為了衡量分?jǐn)?shù)，EEMBC提供了EnergyMonitor軟件。通過單擊運(yùn)行ULPBench按鈕，能量監(jiān)控器硬件為ADuCM3029 EZ-Kit板供電，并測量配置文件運(yùn)行的能耗。在執(zhí)行結(jié)束時(shí)，軟件計(jì)算分?jǐn)?shù)并將其顯示在屏幕上。該軟件還在歷史記錄窗口中顯示先前周期的平均能耗。?

圖5.能源監(jiān)控軟件 — 圖形用戶界面。

下一步 — MCU 效率分析

EEMBC的最終目標(biāo)是提供多套基準(zhǔn)測試，使用戶能夠全面評(píng)估MCU。除了專注于MCU核心效率的ULPMark-CP之外，新發(fā)布的ULPMark-PeripheralProfile（ULPMark-PP）專注于各種MCU外設(shè)，如ADC，PWM，SPI和RTC。在ULPMark-PP中，有源和輕度睡眠電流消耗非常重要，因?yàn)槠骷诠ぷ髫?fù)載中執(zhí)行多個(gè)外設(shè)事務(wù)。

接下來開發(fā)的是IoTMark-BLE和SecureMark套件。前者側(cè)重于測量MCU和無線電通過藍(lán)牙發(fā)送和接收的效率。后者是一個(gè)復(fù)雜的安全套件，將測量為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)施各種加密元素的能源和性能開銷。

審核編輯：郭婷