微控制處理器各種低功耗模式實(shí)際運(yùn)行功耗
低功耗模式實(shí)驗(yàn)
探索低功耗模式的最佳方法是選擇一個(gè)微控制器并以各種低功耗模式實(shí)際運(yùn)行該處理器。本文中，我決定翻出積塵已久的NXP Kinetis-L Freedom電路板，我曾經(jīng)不僅用它進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)，而且還應(yīng)用于許多產(chǎn)品、應(yīng)用和課程。無(wú)論對(duì)錯(cuò)，我決定不僅要測(cè)量微控制器的能耗，還要測(cè)量整個(gè)開(kāi)發(fā)板的能耗。MCU通常是電路板上的耗能大戶(hù)之一，但測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的電流經(jīng)常提醒我它并不是電路板上唯一的耗電器件。微控制器的優(yōu)化長(zhǎng)路迢迢，但其實(shí)它并不是唯一需要優(yōu)化能耗的器件。
從基線測(cè)量開(kāi)始
每當(dāng)我努力優(yōu)化一個(gè)產(chǎn)品的能耗時(shí)，我首先會(huì)從基線能量測(cè)量開(kāi)始。通常我會(huì)通過(guò)分析幾秒或幾分鐘內(nèi)設(shè)備的電流消耗來(lái)了解應(yīng)該從哪里開(kāi)始。在我的開(kāi)發(fā)板實(shí)驗(yàn)中，將Kinetis-L置于運(yùn)行模式，無(wú)睡眠模式，所有外設(shè)均運(yùn)行并設(shè)置電路板定期切換LED。通過(guò)采用IAR嵌入式工作臺(tái)的I-Jet調(diào)試器以及I-Scope，我可以為該電路板配置一個(gè)簡(jiǎn)單基線，即LED關(guān)閉時(shí)電流消耗大約為16.9mA，LED打開(kāi)時(shí)大約為18.0mA，如圖1所示。顯然，從哪里開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量很重要，否則分析結(jié)果可能明顯偏離。
圖1：開(kāi)發(fā)板的電流測(cè)量，LED每秒切換一次。(來(lái)源：作者)
采用等待模式和深度睡眠模式優(yōu)化能耗
節(jié)省能耗最快的方法是執(zhí)行等待或深度睡眠模式。研究Kinetis-L處理器的數(shù)據(jù)表可以得出，等待模式的能耗在3伏電壓下的電流介于3.7和5.0mA之間。在此模式下，CPU和外設(shè)時(shí)鐘被禁用，而閃存處于休眠模式，此時(shí)允許處理器在中斷時(shí)間范圍內(nèi)(12-15個(gè)時(shí)鐘周期)仍然可以被喚醒。等待模式易于實(shí)現(xiàn)，設(shè)置進(jìn)入等待模式的代碼如下所示：
void Sleep_Wait(void)
{
SCB_SCR &=~ SCB_SCR_SLEEPDEEP_MASK;
asm(“WFI”);
}
只需這兩行代碼，開(kāi)發(fā)板的電流消耗就從18.0mA降至15.9mA。電流消耗減少了11.6%!如果電路板由680mA電池供電，則該設(shè)備的電池壽命將從37.8小時(shí)變?yōu)?2.8小時(shí)!兩行代碼就可以將電池壽命延長(zhǎng)五小時(shí)!
這些高級(jí)電源模式的好處在于我們可以輕松地再向前邁一步。我們可以使用以下代碼將處理器置于深度睡眠等待模式，而不僅僅是等待模式：
void Sleep_Deep(void)
{
SCB_SCR |= SCB_SCR_SLEEPDEEP_MASK;
asm(“WFI”);
}
我們所做的僅僅是調(diào)整了SCB_SCR寄存器中的一位，就已經(jīng)將最初的18mA電流消耗減少為14.8mA。電流消耗減少了17.8%!同樣，假設(shè)電路板由680mA電池供電，電池壽命現(xiàn)在已經(jīng)從37.8小時(shí)增長(zhǎng)為46小時(shí)!只需幾行代碼就可以節(jié)省大量能耗，而這只是冰山一角!
利用Stop模式和VLLS模式實(shí)現(xiàn)微安級(jí)電流消耗
采用停止模式可以禁用內(nèi)核和系統(tǒng)時(shí)鐘，這有可能將MCU電流消耗再進(jìn)一步降低兩毫安。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，功耗模式越低，實(shí)現(xiàn)它所需的代碼就越多，而喚醒系統(tǒng)恢復(fù)工作的代碼就越復(fù)雜。令Kinetis-L進(jìn)入停止模式的代碼如下所示：
void Sleep_Stop(void)
{
volatile unsigned int dummyread = 0;
SMC_PMCTRL &=~ SMC_PMCTRL_STOPM_MASK;
SMC_PMCTRL |= SMC_PMCTRL_STOPM(0);
dummyread = SMC_PMCTRL;
Sleep_Deep();
}
請(qǐng)注意，停止模式通過(guò)電源管理控制寄存器控制，一旦狀態(tài)被設(shè)置，就會(huì)調(diào)用Sleep_Deep函數(shù)來(lái)完成電源模式的設(shè)置并執(zhí)行WFI。
到目前為止，我們一直在談?wù)?~2mA的MCU能耗。現(xiàn)代微控制器將提供僅消耗微安甚至毫微安的電源模式!Kinetis-L處理器于2013年左右首次亮相，其超低漏電停止(VLLS)模式僅耗能135至496微安!初始化此電源模式的代碼如下所示：
void Sleep_VLLS1(void)
{
volatile unsigned int dummyread = 0;
SMC_PMCTRL &=~ SMC_PMCTRL_STOPM_MASK;
SMC_PMCTRL |= SMC_PMCTRL_STOPM(0x4);
SMC_VLLSTRL = SMC_VLLSCTRL_LLSM(1);
dummyread = VLLS_CTRL;
Sleep_Deep();
}
講到這里，你會(huì)發(fā)現(xiàn)微控制器已經(jīng)幾乎不消耗任何能量了!
低功耗模式對(duì)喚醒延遲的影響
正如我們目前所看到的那樣，將處理器設(shè)置為越來(lái)越低的電源模式是節(jié)省能源的好方法，但這是需要付出代價(jià)的。處理器的能量狀態(tài)越低，喚醒處理器恢復(fù)工作所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。例如，如果我使用標(biāo)準(zhǔn)停止模式，則處理器被喚醒并再次開(kāi)始執(zhí)行代碼需要2μs加上中斷延遲，這還可以接受。但是，如果在Kinetis-L上設(shè)置了其中一種VLLS模式，將需要啟動(dòng)處理器的喚醒延遲再加上額外的53到115微秒!有些應(yīng)用可能無(wú)法接受這種狀況。圖2顯示了Kinetis-L從低功耗模式到運(yùn)行狀態(tài)的各種轉(zhuǎn)換。
圖2：Kinetis-L從低功耗模式到各種模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間。(來(lái)源：Kinetis-L數(shù)據(jù)表)
結(jié)論
Arm微控制器都具有標(biāo)準(zhǔn)的低功耗模式，但每個(gè)芯片廠商都會(huì)定制開(kāi)發(fā)人員可用的更多低功耗模式。正如我們所看到的，芯片供應(yīng)商通常會(huì)提供幾種容易實(shí)現(xiàn)的模式，對(duì)喚醒延遲的影響最小。他們還會(huì)提供幾種超低功耗模式，幾乎可以關(guān)閉處理器并且僅消耗幾百微安或更少能量!開(kāi)發(fā)人員通常需要在能耗和系統(tǒng)被喚醒需要的時(shí)長(zhǎng)以及響應(yīng)事件的速度之間進(jìn)行權(quán)衡。而權(quán)衡一定是基于應(yīng)用的，所以不要指望能夠在每個(gè)產(chǎn)品和應(yīng)用上都執(zhí)行最低功耗模式。
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