- 降低能源消耗
- EFM 32 Gecko從喚醒到關機的時間減到最少
- 綜合單芯片的功能集
- 自主外圍設備繞過CPU以節(jié)約電源
在一般使用過程中,許多電池的貨架壽命不會超過10年,但紐扣電池的耐力較長,雖然紐扣電池的壽命可預計為20 - 25年,設計者還是必須把電池的自放電率納入其計算中。
能源敏感的應用必須最大限度地使用電池提供的所有電荷。設計會圍繞一個微控制器進行,而很長的電池壽命是可能做得到的,因為,在一個典型的應用中,MCU會在度深睡眠模式中花掉大部分時間。低占空比本身不足以確保達到長電池壽命的目標,必須優(yōu)化MCU操作的每個方面以使用最低的電源量。
32位內核將從喚醒到關機的時間減到最少
Energy Micro的節(jié)能“Gecko”EFM- 32微控制器采用一個ARM Cortex - M3的32位內核,如圖1所示。乍一看這似乎與最低功耗的需要有矛盾:低功耗的MCU一直在通過使用成熟的8位內核的最新版本設法盡量減少MCU內核的門數,盡管事實上,它們的處理能力幾乎不能滿足今天許多應用的需要。 現(xiàn)代的32位內核可以提供一個非常有效的選擇; 它采用今天的IC設計師們使用的全套低功耗設計技術,使Energy Micro公司可以生產出一個ARM Cortex - M3內核來運行來自閃存的典型應用代碼,使用的電量只有180µA/MHz。認真使用這些相同的技術可保證數字測量正確,下降到低的時鐘速率,而不僅是一個峰值性能數字。在達到性能目標時將某個應用調到最大功率是個重要因素。M3內核采用既定的Thumb2指令集架構,產生出非常緊湊的低內存代碼,進一步降低了電源需求。
圖1. EFM 32 Gecko的獨特架構使外圍設備功能模塊要設計為低功耗運行的目的更強了。 例如4 × 40段LCD控制器的運行僅需550nA。
圖2. 一個節(jié)能MCU內核可通過完整的喚醒/操作/返回睡眠周期節(jié)省幾個不同區(qū)域的能量。藍色區(qū)域表示一個更強大的32位內核完成任務所節(jié)省的能量,所需的周期比一個8位內核需要的少,在活躍和睡眠模式下消耗的電流也較少。
綜合單芯片的功能集
一體化是限制電源的一個重要因素。由于一整套片上外圍設備,Gecko CPU形成了一個有絕對最低的外部元件的系統(tǒng)基礎。其內核包括片上閃存(達128 KB)和RAM(達16 KB),有1系列的串行接口包括UART(標準和低功耗),USARTs和 I2C,其多個數字I / O達到了90個引腳;幾個不同的定時器/計數器模塊也將產生PWM輸出,而模塊包括模擬/數字和數字/模擬轉換器。其它的片上硬件不僅包括一個用來直接驅動1個4x40段顯示器的LCD控制器模塊,也包括一個為AES加密的加速功能。
低功率應用越來越多 –例如, 手持終端設備 – 要求數據加密;節(jié)能MCU包括的模塊將處理加密和解密128 - 或256位密鑰,體現(xiàn)了降低功率的整體戰(zhàn)略。Cortex - M3內核可以隨時執(zhí)行AES功能,但其它硬件支持軟件程序的速度要快20至80倍,因此控制器內核可在較少時間內變得活躍。
事實上,只是簡單提到MCU的主動或深睡眠模式還過于簡單化;一系列的五級操作配置使設計師能精確地將設備的處理能力與任何時刻的應用計算需要匹配 在一起,只使用最低的基本電流去完成一個特定的任務,見圖3。同樣,任何外圍設備都可以在不需要時完全關閉。
圖3. EFM32 Gecko微控制器的關鍵屬性是它提供給用戶的能源模式選擇
自主外圍設備繞過CPU以節(jié)約電源
盡管有一個高效的32位處理器內核資源,Energy Micro公司的設計人員認識到在典型應用中還有很多功能沒有達到全面的處理能力,如果在待機狀態(tài)下,即使是最節(jié)能的內核也會使用較少的電源。和標準的32位一樣,ARM架構總線與芯片上所有的功能性模塊互聯(lián),一個輔助總線或互連矩陣被稱為外圍設備反射系統(tǒng)。如圖4所示,使用該互連,外圍設備就能從ARM內核中與外圍設備溝通,無任何干擾。
以一個溫度傳感器為例,它每分鐘都要收集數據,但只是每隔一小時或每隔一天報告一次 - 或當它積累了一定的數據量時。芯片可以保持睡眠狀態(tài),而計時器每分鐘通過外圍設備反射系統(tǒng)開始其ADC轉換。 然后DMA控制器不需要啟動CPU就將結果移到了RAM。然后,在更長的時間間隔內,內部定時器可單獨喚醒主要內核,運行適當的通信協(xié)議并上傳累計的測量數據。
系統(tǒng)設計采用EFM- 32 MCU, 得到了一個開發(fā)平臺的支持,實現(xiàn)了通過應用代碼詳細測量能源消耗的哲學思想。到MCU的電流被先進能源監(jiān)視器采樣和集成,放出來自電源的充足電荷,使設計師們能用他們的代碼探索和優(yōu)化不同的節(jié)能戰(zhàn)略。
圖4. 使用Energy Micro的''''''''''''''''''''''''''''''''外圍設備反射系統(tǒng)'''''''''''''''''''''''''''''''' - 一個復雜的互連矩陣—完成簡單任務如開展數據轉換和存儲可執(zhí)行結果、完全喚醒32位處理器內核。