ADI:开发超低功耗体系时挑选适宜微控制器的战略

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在物联网(IoT)的推进下，业界对各种电池供电设备产生了巨大需求。这反过来又使业界对微控制器和其他体系级器材的动力功率要求不断进步。因而，超低功耗(ULP)已成为一个过度运用的营销术语，特别是用于描绘微控制器时。作为了解ULP背面真实含义的第一步，应考虑其各种含义。在某些情况下，当电源严峻受限时（例如能量搜集），运用要求最低作业电流。或许，当体系大部分时刻处于待机或睡觉形式，不常醒来（定时或异步）处理使命时，运用要求最低睡觉形式电流。此外，ULP也意味着动力功率，大多数作业是在有限时刻内进行的。整体而言，电池供电设备依据一组权衡考虑，归纳运用这些要求。

当然，ULP也是一个见仁见智并与功用相关的问题。例如，咱们一般将作业形式电流在30 μA/MHz至40 μA/MHz规模、关断电流在50 nA到70 nA的微控制器单元(MCU)视为ULP。可是，能否将微控制器划归超低功耗类涉及到杂乱的特性组合，包含架构、SoC规划、工艺技能、智能外设和深度睡觉形式。本文将调查ADI公司的两款微控制器，以协助咱们了解怎么在此布景下解读超低功耗的真实含义。咱们还会评论 EEMBC联盟的认证机制，它保证了得分的准确性，可协助体系开发人员为其解决方案挑选最合适的微控制器。

丈量和优化超低功耗

作为了解ULP的起点，咱们首要解说怎么丈量它。开发人员一般会检查数据手册，在其间可以找到每MHz的电流值，以及不同睡觉形式下的电流值。第一个问题是，检查作业功耗时，数据手册一般不会解说取得该值的条件，例如代码、电压和闪存上的等候状况。有些供货商运用作业形式参阅，例如EEMBC CoreMark，而有些供货商则运用像”while 1″句子相同简略的操作。假如闪存上有等候状况，则微控制器单元的功用会下降，添加履行时刻，然后进步履行使命的能耗。有些供货商供给典型电压时的数值，有些供给最低电压时的数值，还有些供货商不指定任何电压。或许这些差异很奇妙，但没有一个规范的话，比较只能是大致上的比照。

一般，深度睡觉形式在数据手册中有适当具体的解说，但相同，取得这些形式下的电流耗费的条件因供货商而异（例如保存的内存量或电压）。此外，在实践运用中，用户还有必要考虑进入和退出这些形式所耗费的电能。这或许是一个微乎其微的值，也或许事关重大，取决于器材是大部分时刻处于睡觉形式仍是频频唤醒。这就引出了下一个问题——器材有多长时刻处于睡觉状况？作业形式和睡觉形式之间的平衡关于确认ULP丈量非常重要。为了简化该进程，EEMBC对其ULPMark-CoreProfile (ULPMark-CP)运用1秒钟时刻；这是一项基准测验，许多微控制器厂商将其用作数据手册的规范。留意：运用1秒的决议被视为EEMBC作业组的一致。考虑到ULPMark-CoreProfile作业负载的作业时刻，占空比将为98%左右。在该基准测验中，器材每秒唤醒一次，履行少数作业（作业周期），然后回到睡觉状况。

一般，在作业形式下，模仿电路会导致电流耗费存在偏移；因而，使作业电流最小并有用运用深度睡觉形式对优化整个体系的电能运用是有含义的。请留意，下降频率会下降作业电流，但时刻会添加，前面说到的模仿电路形成的偏移在微控制器处于作业状况时坚持不变。可是，微控制器不同挑选的利害是什么？运用的占空比和深度睡觉电流对耗费的电能有何影响？

每周期的电能是占空比D（以睡觉形式时刻占总时刻的百分比给出）的函数，可由一个简化的公式来界说，假定敞开和封闭转化的电能很小。

其间，斜率由I_ON界说，因为I_SLEEP远小于I_ON，y轴截距便是I_SLEEP。此公式可以协助了解占空比，其间作业电流比睡觉电流更重要。

超低功耗测验渠道

如前所述，咱们将比较ADI公司两款微控制器——ADuCM4050 和 ADuCM302x的超低功耗（电能）特性。在ULPMark节课表中，ADuCM4050和ADuCM302x的得别离离为203和245.5。请记住，该基准测验仅操作微控制器单元的中心（因而得名CoreProfile）。怎么解说18%的差异？

ADuCM4050包含一个选用ARMv7E-M架构的ARM^® Cortex^®-M4F。ADuCM302x包含一个选用ARMv7-M架构的ARM Cortex-M3。尽管两个内核均有带分支估测的三级流水线，而且两者的指令集架构类似，但只要Cortex-M4F支撑DSP和浮点指令。ULPMark-CoreProfile没有DSP指令，因而Cortex-M4F器材没能发挥FPU的优势。

关于基准剖析，ADuCM4050和ADuCM302x别离作业在52 MHz和26MHz。ADuCM4050需求大约11,284个周期来履行ULPMark作业负载，ADuCM302x需求10,920个周期，这意味着前者在1秒周期的217μs内完结作业形式部分，而后者的作业时刻为420 μs。ADuCM4050运用的周期数比ADuCM3029多的原因是所用频率不同（别离为52 MHz和26 MHz），ADuCM4050的闪存需求一个等候状况，而ADuCM3029的闪存上没有等候状况。ADuCM4050具有高速缓存，因而在闪存上添加等候状况不会有太大影响，因为许多指令是从高速缓存履行，可以全速(52 MHz)存取而无需额定的等候状况。关于履行时刻，同预期相同，ADuCM4050履行作业负载的速度比ADuCM3029更快，因为其运转频率是ADuM3029的两倍。

若要取得EEMBC基准代码，您有必要是成员或作业组。您可以拜访这儿。成为成员。Monica Redon是ADI公司在EEMBC委员会的代表，您可以联络她了解更多信息。

但为什么ADuCM4050比ADuCM3029多耗费10 μA/MHz？这种添加背面的原因是，前者能以两倍于后者的频率作业，因而需求额定的缓冲器来完成对更高频率的时序束缚。同ADuCM3029比较，ADuCM4050还有一些额定特性：

• 存储器巨细加倍（SRAM 和闪存均是如此）：128 kB 和512 kB，而ADuCM3029 只要64 kB 和256 kB。依据运用需求，您或许需求额定的存储空间。
• 频率加倍：52 MHz，而ADuCM3029 只要26 MHz，因而ADuCM4050功用更好。
• 添加了RGB 定时器。
• 添加了新的安全特性：带密钥包裹- 解包功用的维护密钥存储和带密钥解包功用的键控HMAC。
• 添加了三个额定的SensorStrobe 输出。
• 添加了悉数SRAM 内容保存功用：ADuCM4050 最多可保存124kB，而ADuCM3029 最多只能保存32 kB。

依据运用需求（功耗优化、额定存储、作业功用、内容保存等），您可以决议运用ADuCM4050仍是ADuCM302x产品。

关于深度睡觉形式，ADuCM4050在运转ULPMark-CoreProfile并保存比ADuCM3029多一倍的存储器内容时（前者为16 kB，而后者为8 kB），完成了更低的休眠功耗。这种改善的原因是较新的ADuCM4050产品选用增强型架构。

编译器的效果

如上所述，ULPMark包含两种操作状况：作业状况和低功耗状况（器材处于睡觉形式）。这些状况均归入刚好为1秒的占空比中。在作业状况下，每个器材履行相同的作业负载。但正如咱们所看到的那样，作业功率受架构的影响。此外，它也受编译器的影响。编译器或许会挑选更改和优化句子，致使指令组合发生改变。

依据运用的需求，您可以针对尺度和速度进行优化，以平衡尺度和速度等要素。循环展开是一个简略的比如，履行的分支数与循环体内代码的份额会发生改变。编译器在寻觅更好的核算成果方法上仍能起到重要效果，但所做的作业是等价的。例如，ADuCM3029的ULPMark-CP成果或许会因优化程度不同而异：针对速度高度优化时为245.5，中等优化时为232，低度优化时为209。Texas Instruments MSP430FR5969的ULPMark成果是阐明编译器重要性的另一个比如。经过运用更新版别的IAR Embedded Workbench编译器，成果进步了5%——尽管不知道内部编译器做了什么改动来完成这一改善(www.eembc.org/ulpbench/)。相同，若不深化了解专有编译器技能，就无法知道为什么STMicroelectronics STM32L476RG从运用ARMCC编译器变为IAR编译器后，成果进步了16%。

ADI公司MCU的两个成果均是运用IAR编译器编译的代码生成的，但版别不同。ADuCM4050和ADuCM302x别离运用IAR EWARM7.60.1.11216和7.50.2.10505。相同不知道做了哪些内部改动。提交的两个得分运用了与优化速度对应的no_size_constraints选项。

将ULPMark转化为电能值

ULPMark-CoreProfile运用一个取电能值倒数的公式（10个周期，5个每秒均匀电能值的中位数）。

电能为器材履行作业负载（处于作业形式）时耗费的电能与器材处于休眠状况时耗费的电能之和。

依据 ADuCM3029 数据手册，运转质数代码时，作业电流的典型值为980 μA。此代码装入缓存，以运用其功耗较低的优势。关于ULPMark-CoreProfile代码，因为它主要是线性代码，使能缓存没有什么太大优点，因而电流耗费与数据手册中针对禁用缓存所显现的电流耗费(1.28 mA)类似。关于休眠电流，ULPMark-CoreProfile要求使能LFXTAL和RTC，因而睡觉形式下的电流耗费为830 nA（依据数据手册）。如上所述，作业时刻继续420 μs。

依据数据手册数字和履行时刻，作业电流的电能为1.61 μJ，睡觉期间耗费的电能为2.49 μJ。依据这些值得到的分数与EEMBCEnergyMonitor软件测得的分数相符。

第一代ULPMark的缺陷之一是运转规则将作业电压约束在3 V（作业组这样做的意图是为一切器材树立一个通用电平）。大多数现代MCU在更低电压下运转的能效要好得多（尽管这或许受温度和作业频率的影响）。例如，运用DC-DC转化器将电压从3 V降至1.8 V，STMicroelectronics STM32L476RG的ULPMark成果进步了19%。

发布的成果受DC-DC转化器运用的影响，STMicroelectronicsSTM32L476RG并非不是仅有这样的器材，但有些器材将转化器集成到器材自身，如ADuCM302x和ADuCM4050，不需求外部IC来进步器材的功耗功用。尽管如此，运用DC-DC转化器有助于发明公平竞争环境，因为它答应器材以最佳能效运转。例如，仅作业在3 V的器材不会从DC-DC转化器获益，因为它现已处于最优（或许或许是次优）的功率水平。另一方面，一个可以作业在1.8 V但没有运用DC-DC转化器的器材，则会糟蹋64%的供给电能。此外，关于优先考虑能效的体系规划人员而言，假如体系运用3 V电池，则外部DC-DC转化器的附加本钱或许并不重要。有必要当心运用DC-DC转化器，防止丈量转化器而非MCU的能效。尽管如此，有必要考虑到在实践运用中，DC-DC作业形式或许有一些缺陷，例如作业形式和睡觉形式的彼此转化时刻会延伸。

运用DC-DC转化器时，还需求考虑转化器的类型。一些转化器是依据电感的，或许会带来更大面积、更高本钱以及电磁搅扰(EMI)之类的问题。ADuCM4050和ADuCM302x器材运用依据电容的转化器，防止了这些问题。如需了解更多信息，请参阅用户攻略 UG-1091″怎么设置和运用ADuCM3027/ADuCM3029微控制器”。

剖析ULPMark-CP成果或数据手册值时，重要的是要供认器材差异的存在。换句话说，丈量器材的能效时，漏电流是一个重要要素，尤其是在睡觉形式下。尽管传统的功用基准一般不受影响，但温度和湿度等要素对器材的漏电流有必定程度的影响，进而会影响ULPMark-CP的成果。就制作而言，同一供货商在不同日期或从不同晶圆出产的器材会不相同。乃至同一器材的功耗也或许发生改变（依据丈量的时刻和地址，改变规模在5%到15%）。从根本上说，这意味着给出的ULPMark-CP得分应被用作能效攻略。例如，一个器材的ULPMark成果为245，而来自不同晶圆的同款器材的得分或许在233到257之间（假定改变量为5%）。

认证机制—树立可信度

为了保证得分的真实性，乐意认证其器材的供货商将电路板和东西同渠道特定的配置文件一同发送给EEMBC技能中心(ETC)。EEMBC将渠道配置文件集成到其体系文件（包含作业负载）中，并在不同电路板上屡次丈量得分。认证的得分为一切丈量的均匀值。

经过这种方法，EEMBC保证一切得分的条件相同（相同作业负载、相同电能监测板、类似的温度等）。

图4显现了用于在 ADuCM3029 EZ-Kit上丈量ULPMark-CP的衔接设置。

为了丈量得分，EEMBC供给了EnergyMonitor软件。单击Run ULPBench（运转ULPBench）按钮后，EnergyMonitor硬件便向ADuCM3029 EZ-Kit板供电，并丈量配置文件运转的能耗。履行结束时，软件核算得分并将其显现在屏幕上。软件还会在前史窗口中显现之前周期的均匀能耗。

下一步—MCU功率剖析

EEMBC的终极目标是供给多个基准测验套件，运用户可以全面评价MCU。除了重视MCU中心功率的ULP-Mark-CP之外，新发布的ULPMark-PeripheralProfile (ULPMark-PP)聚集于操作各种MCU外设，如ADC、PWM、SPI和RTC。在ULPMark-PP中，因为器材在作业负载中履行多个外设业务，所以作业功耗和轻度睡觉功耗非常重要。ULPMark-PP的成果可从EEMBC网站取得；ULP-Mark-CP和ULPMark-PP组合可供EEMBC成员运用或授权运用。

接下来开发IoTMark-BLE和SecureMark套件。前者侧重于丈量MCU和无线电经过蓝牙®发射和接纳数据的功率；后者是一种杂乱的安全套件，用于丈量物联网器材完成各种加密机制的电能和功用开支。二者均会在2017年末供给给成员和被许可人运用。

基准测验好像轿车，需求人来运转。因而，咱们鼓舞咱们敦促一切MCU供货商运转并发布器材成果。咱们还需求更多供货商将ULPMark成果包含在其数据手册中（像Ambiq Micro、AnalogDevices、STMicroelectronics和TI等厂商所做的相同）。这会明显添加数据手册中标准特性的可信度和实践可比性。假如MCU供货商未发布这些认证成果，那么您就要问：”为什么不发布，你们在躲藏什么？”

参阅电路

¹最新得分拜见 www.eembc.org/ulpbench/index.php。