【導(dǎo)讀】在物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，業(yè)界對(duì)各種電池供電設(shè)備產(chǎn)生了巨大需求。這反過(guò)來(lái)又使業(yè)界對(duì)微控制器和其他系統(tǒng)級(jí)器件的能源效率要求不斷提高。因此，超低功耗(ULP)已成為一個(gè)過(guò)度使用的營(yíng)銷術(shù)語(yǔ)，特別是用于描述微控制器時(shí)。作為理解ULP背后真正意義的第一步，應(yīng)考慮其各種含義。
本文我們將考察ADI公司的兩款微控制器，以幫助大家了解如何在此背景下解讀超低功耗的真正意義。我們還會(huì)討論 EEMBC聯(lián)盟的認(rèn)證機(jī)制，因?yàn)樗_保了得分的準(zhǔn)確性，可幫助系統(tǒng)開發(fā)人員為其解決方案選擇最合適的微控制器。
測(cè)量和優(yōu)化超低功耗
作為了解ULP的出發(fā)點(diǎn)，我們首先解釋如何測(cè)量它。開發(fā)人員通常會(huì)查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，在其中可以找到每MHz的電流值，以及不同睡眠模式下的電流值。
第一個(gè)問(wèn)題是，查看工作功耗時(shí)，數(shù)據(jù)手冊(cè)通常不會(huì)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)。有些供應(yīng)商使用工作模式參考，例如EEMBC CoreMark，而有些供應(yīng)商則使用像"while 1"語(yǔ)句一樣簡(jiǎn)單的操作。如果閃存上有等待狀態(tài)，則微控制器單元的性能會(huì)降低，增加執(zhí)行時(shí)間，從而提高執(zhí)行任務(wù)的能耗。有些供應(yīng)商提供典型電壓時(shí)的數(shù)值，有些提供最低電壓時(shí)的數(shù)值，還有些供應(yīng)商不指定任何電壓。也許這些差異很微妙，但沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的話，比較只能是大致上的對(duì)比。
通常，深度睡眠模式在數(shù)據(jù)手冊(cè)中有相當(dāng)詳細(xì)的解釋，但同樣，獲得這些模式下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)入和退出這些模式所消耗的電能。這可能是一個(gè)微不足道的值，也可能事關(guān)重大，取決于器件是大部分時(shí)間處于睡眠模式還是頻繁喚醒。
第二個(gè)問(wèn)題是器件有多長(zhǎng)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)？工作模式和睡眠模式之間的平衡對(duì)于確定ULP測(cè)量非常重要。為了簡(jiǎn)化該過(guò)程，EEMBC對(duì)其ULPMark-CoreProfile (ULPMark-CP)使用1秒鐘時(shí)間；這是一項(xiàng)基準(zhǔn)測(cè)試，許多微控制器廠商將其用作數(shù)據(jù)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。注意：使用1秒的決定被視為EEMBC工作組的共識(shí)?？紤]到ULPMark-CoreProfile工作負(fù)載的工作時(shí)間，占空比將為98%左右。在該基準(zhǔn)測(cè)試中，器件每秒喚醒一次，執(zhí)行少量工作（工作周期），然后回到睡眠狀態(tài)。
通常，在工作模式下，模擬電路會(huì)導(dǎo)致電流消耗存在偏移；因此，使工作電流最小并有效使用深度睡眠模式對(duì)優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的電能使用是有意義的。請(qǐng)注意，降低頻率會(huì)降低工作電流，但時(shí)間會(huì)增加，前面提到的模擬電路造成的偏移在微控制器處于工作狀態(tài)時(shí)保持不變。但是，微控制器不同選擇的利弊是什么？應(yīng)用的占空比和深度睡眠電流對(duì)消耗的電能有何影響？
每周期的電能是占空比D（以睡眠模式時(shí)間占總時(shí)間的百分比給出）的函數(shù)，可由一個(gè)簡(jiǎn)化的公式來(lái)定義，假設(shè)開啟和關(guān)閉轉(zhuǎn)換的電能很小。
其中，斜率由ION定義，因?yàn)镮SLEEP遠(yuǎn)小于ION，y軸截距就是ISLEEP。此 公式可以幫助理解占空比，其中工作電流比睡眠電流更重要。
圖1. ULPMark-CP的占空比為1秒。在此期間，器件從深度睡眠模式喚醒，執(zhí)行固定的工作負(fù)載，然后返回深度睡眠模式。
超低功耗測(cè)試平臺(tái)
比較ADI公司的兩款微控制器——ADuCM4050 和 ADuCM302x的超低功耗（電能）特性。在ULPMark節(jié)課表中， ADuCM4050和ADuCM302x的得分分別為203和245.5。請(qǐng)記住，該基準(zhǔn)測(cè)試僅操作微控制器單元的核心（因此得名CoreProfile）。如何解釋18%的差異？
ADuCM4050包含一個(gè)采用ARMv7E-M架構(gòu)的ARM® Cortex®-M4F。ADuCM302x包含一個(gè)采用ARMv7-M架構(gòu)的ARM Cortex-M3。雖然兩個(gè)內(nèi)核均有帶分支推測(cè)的三級(jí)流水線，并且兩者的指令集架構(gòu)相似，但只有Cortex-M4F支持DSP和浮點(diǎn)指令。ULPMark-CoreProfile沒有DSP指令，因此Cortex-M4F器件沒能發(fā)揮FPU的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于基準(zhǔn)分析，ADuCM4050和ADuCM302x分別工作在52 MHz和26MHz。ADuCM4050需要大約11,284個(gè)周期來(lái)執(zhí)行ULPMark工作負(fù)載，ADuCM302x需要10,920個(gè)周期，這意味著前者在1秒周期的217μs內(nèi)完成工作模式部分，而后者的工作時(shí)間為420 μs。ADuCM4050使用的周期數(shù)比ADuCM3029多的原因是所用頻率不同（分別為52 MHz和26 MHz），ADuCM4050的閃存需要一個(gè)等待狀態(tài)，而ADuCM3029的閃存上沒有等待狀態(tài)。ADuCM4050具有高速緩存，因此在閃存上增加等待狀態(tài)不會(huì)有太大影響，因?yàn)樵S多指令是從高速緩存執(zhí)行，可以全速(52 MHz)存取而無(wú)需額外的等待狀態(tài)。關(guān)于執(zhí)行時(shí)間，同預(yù)期一樣，ADuCM4050執(zhí)行工作負(fù)載的速度比ADuCM3029更快，因?yàn)槠溥\(yùn)行頻率是ADuM3029的兩倍。
表1. 在流行的ARM內(nèi)核上完成ULP-Mark-CoreProfile工作負(fù)載所需的大致周期數(shù)。周期數(shù)是近似值，因?yàn)橹芷跀?shù)還與編譯器有關(guān)。
*這是基于Cortex-M0+和Cortex-M3數(shù)字的估計(jì)值。
但為什么ADuCM4050比ADuCM3029多消耗10 μA/MHz？這種增加背后的原因是，前者能以兩倍于后者的頻率工作，因而需要額外的緩沖器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)更高頻率的時(shí)序約束。同ADuCM3029相比，ADuCM4050還有一些額外特性：
- 存儲(chǔ)器大小加倍（SRAM 和閃存均是如此）：128 kB 和512 kB，而ADuCM3029 只有64 kB 和256 kB。根據(jù)應(yīng)用需求，您可能需要額外的存儲(chǔ)空間。
- 頻率加倍：52 MHz，而ADuCM3029 只有26 MHz，因此ADuCM4050性能更好。
- 增加了RGB 定時(shí)器。
- 增加了新的安全特性：帶密鑰包裹- 解包功能的保護(hù)密鑰存儲(chǔ)和帶密鑰解包功能的鍵控HMAC。
- 增加了三個(gè)額外的SensorStrobe 輸出。
- 增加了全部SRAM 內(nèi)容保留功能：ADuCM4050 最多可保留124kB，而ADuCM3029 最多只能保留32 kB。
圖2. ULPMark-CP結(jié)果前10名，位于EEMBC網(wǎng)站（2017年8月18日）。
根據(jù)應(yīng)用需求（功耗優(yōu)化、額外存儲(chǔ)、工作性能、內(nèi)容保留等），您可以決定使用ADuCM4050還是ADuCM302x產(chǎn)品。
關(guān)于深度睡眠模式，ADuCM4050在運(yùn)行ULPMark-CoreProfile并保留比ADuCM3029多一倍的存儲(chǔ)器內(nèi)容時(shí)（前者為16 kB，而后者為8 kB），實(shí)現(xiàn)了更低的休眠功耗。這種改善的原因是較新的ADuCM4050產(chǎn)品采用增強(qiáng)型架構(gòu)。
編譯器的作用
ULPMark包括兩種操作狀態(tài)：工作狀態(tài)和低功耗狀態(tài)（器件處于睡眠模式）。這些狀態(tài)均納入恰好為1秒的占空比中。在工作狀態(tài)下，每個(gè)器件執(zhí)行相同的工作負(fù)載。但正如我們所看到的那樣，工作效率受架構(gòu)的影響。此外，它也受編譯器的影響。編譯器可能會(huì)選擇更改和優(yōu)化語(yǔ)句，致使指令組合發(fā)生變化。
根據(jù)應(yīng)用的需要，您可以針對(duì)尺寸和速度進(jìn)行優(yōu)化，以平衡尺寸和速度等因素。循環(huán)展開是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，執(zhí)行的分支數(shù)與循環(huán)體內(nèi)代碼的比例會(huì)發(fā)生變化。編譯器在尋找更好的計(jì)算結(jié)果方式上仍能起到重要作用，但所做的工作是等價(jià)的。例如，ADuCM3029的ULPMark-CP結(jié)果可能會(huì)因優(yōu)化程度不同而異：針對(duì)速度高度優(yōu)化時(shí)為245.5，中等優(yōu)化時(shí)為232，低度優(yōu)化時(shí)為209。Texas Instruments MSP430FR5969的ULPMark結(jié)果是說(shuō)明編譯器重要性的另一個(gè)例子。通過(guò)應(yīng)用更新版本的IAR Embedded Workbench編譯器，結(jié)果提高了5%——盡管不知道內(nèi)部編譯器做了什么改變來(lái)實(shí)現(xiàn)這一改進(jìn)(www.eembc.org/ulpbench/)。同樣，若不深入了解專有編譯器技術(shù)，就無(wú)法知道為什么STMicroelectronics STM32L476RG從使用ARMCC編譯器變?yōu)镮AR編譯器后，結(jié)果提高了16%。
ADI公司MCU的兩個(gè)結(jié)果均是利用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 EWARM7.60.1.11216和7.50.2.10505。同樣不知道做了哪些內(nèi)部改變。提交的兩個(gè)得分使用了與優(yōu)化速度對(duì)應(yīng)的no_size_constraints選項(xiàng)。
將ULPMark轉(zhuǎn)換為電能值
ULPMark-CoreProfile使用一個(gè)取電能值倒數(shù)的公式（10個(gè)周期，5個(gè)每秒平均電能值的中位數(shù)）。
電能為器件執(zhí)行工作負(fù)載（處于工作模式）時(shí)消耗的電能與器件處于休眠狀態(tài)時(shí)消耗的電能之和。
根據(jù) ADuCM3029 數(shù)據(jù)手冊(cè)，運(yùn)行質(zhì)數(shù)代碼時(shí)，工作電流的典型值為980 μA。此代碼裝入緩存，以利用其功耗較低的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于ULPMark-CoreProfile代碼，由于它主要是線性代碼，使能緩存沒有什么太大好處，因此電流消耗與數(shù)據(jù)手冊(cè)中針對(duì)禁用緩存所顯示的電流消耗(1.28 mA)相似。關(guān)于休眠電流，ULPMark-CoreProfile要求使能LFXTAL和RTC，因此睡眠模式下的電流消耗為830 nA（根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)）。如上所述，工作時(shí)間持續(xù)420 μs。
根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)數(shù)字和執(zhí)行時(shí)間，工作電流的電能為1.61 μJ，睡眠期間消耗的電能為2.49 μJ。根據(jù)這些值得到的分?jǐn)?shù)與EEMBCEnergyMonitor軟件測(cè)得的分?jǐn)?shù)相符。
第一代ULPMark的缺點(diǎn)之一是運(yùn)行規(guī)則將工作電壓限制在3 V（工作組這樣做的目的是為所有器件建立一個(gè)通用電平）。大多數(shù)現(xiàn)代MCU在更低電壓下運(yùn)行的能效要好得多（盡管這可能受溫度和工作頻率的影響）。例如，利用DC-DC轉(zhuǎn)換器將電壓從3 V降至1.8 V，STMicroelectronics STM32L476RG的ULPMark結(jié)果提高了19%。
圖3. ADuCM4050框圖。其集成一個(gè)1.2 V低壓差穩(wěn)壓器(LDO)和一個(gè)可選容性降壓調(diào)節(jié)器。
公布的結(jié)果受DC-DC轉(zhuǎn)換器使用的影響，STMicroelectronicsSTM32L476RG并非不是唯一這樣的器件，但有些器件將轉(zhuǎn)換器集成到器件本身，如ADuCM302x和ADuCM4050，不需要外部IC來(lái)提高器件的功耗性能。盡管如此，使用DC-DC轉(zhuǎn)換器有助于創(chuàng)造公平競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境，因?yàn)樗试S器件以最佳能效運(yùn)行。例如，僅工作在3 V的器件不會(huì)從DC-DC轉(zhuǎn)換器受益，因?yàn)樗呀?jīng)處于最優(yōu)（或者可能是次優(yōu)）的效率水平。另一方面，一個(gè)可以工作在1.8 V但沒有利用DC-DC轉(zhuǎn)換器的器件，則會(huì)浪費(fèi)64%的供應(yīng)電能。此外，對(duì)于優(yōu)先考慮能效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，如果系統(tǒng)使用3 V電池，則外部DC-DC轉(zhuǎn)換器的附加成本可能并不重要。必須小心使用DC-DC轉(zhuǎn)換器，避免測(cè)量轉(zhuǎn)換器而非MCU的能效。盡管如此，必須考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，DC-DC工作模式可能有一些缺點(diǎn)，例如工作模式和睡眠模式的相互轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。
使用DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，還需要考慮轉(zhuǎn)換器的類型。一些轉(zhuǎn)換器是基于電感的，可能會(huì)帶來(lái)更大面積、更高成本以及電磁干擾(EMI)之類的問(wèn)題。ADuCM4050和ADuCM302x器件使用基于電容的轉(zhuǎn)換器，避免了這些問(wèn)題。
分析ULPMark-CP結(jié)果或數(shù)據(jù)手冊(cè)值時(shí)，重要的是要承認(rèn)器件差異的存在。換句話說(shuō)，測(cè)量器件的能效時(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)一般不受影響，但溫度和濕度等因素對(duì)器件的漏電流有一定程度的影響，進(jìn)而會(huì)影響ULPMark-CP的結(jié)果。就制造而言，同一供應(yīng)商在不同日期或從不同晶圓生產(chǎn)的器件會(huì)不相同。甚至同一器件的功耗也可能發(fā)生變化（根據(jù)測(cè)量的時(shí)間和地點(diǎn)，變化范圍在5%到15%）。從根本上說(shuō)，這意味著給出的ULPMark-CP得分應(yīng)被用作能效指南。例如，一個(gè)器件的ULPMark結(jié)果為245，而來(lái)自不同晶圓的同款器件的得分可能在233到257之間（假設(shè)變化量為5%）。
認(rèn)證機(jī)制—建立可信度
為了確保得分的真實(shí)性，愿意認(rèn)證其器件的供應(yīng)商將電路板和工具同平臺(tái)特定的配置文件一起發(fā)送給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，并在不同電路板上多次測(cè)量得分。認(rèn)證的得分為所有測(cè)量的平均值。
通過(guò)這種方式，EEMBC確保所有得分的條件相同（相同工作負(fù)載、相同電能監(jiān)測(cè)板、相似的溫度等）。
圖4顯示了用于在 ADuCM3029 EZ-Kit上測(cè)量ULPMark-CP的連接設(shè)置。
圖4. 測(cè)量得分的電路板設(shè)置。
為了測(cè)量得分，EEMBC提供了EnergyMonitor軟件。單擊Run ULPBench（運(yùn)行ULPBench）按鈕后，EnergyMonitor硬件便向ADuCM3029 EZ-Kit板供電，并測(cè)量配置文件運(yùn)行的能耗。執(zhí)行結(jié)束時(shí)，軟件計(jì)算得分并將其顯示在屏幕上。軟件還會(huì)在歷史窗口中顯示之前周期的平均能耗。
圖5. EnergyMonitor軟件—GUI。
下一步—MCU效率分析
EEMBC的終極目標(biāo)是提供多個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試套件，使用戶能夠全面評(píng)估MCU。除了關(guān)注MCU核心效率的ULP-Mark-CP之外，新發(fā)布的ULPMark-PeripheralProfile (ULPMark-PP)聚焦于操作各種MCU外設(shè)，如ADC、PWM、SPI和RTC。在ULPMark-PP中，由于器件在工作負(fù)載中執(zhí)行多個(gè)外設(shè)事務(wù)，所以工作功耗和輕度睡眠功耗非常重要。ULPMark-PP的結(jié)果可從EEMBC網(wǎng)站獲得；ULP-Mark-CP和ULPMark-PP組合可供EEMBC成員使用或授權(quán)使用。
接下來(lái)開發(fā)IoTMark-BLE和SecureMark套件。前者側(cè)重于測(cè)量MCU和無(wú)線電通過(guò)藍(lán)牙®發(fā)射和接收數(shù)據(jù)的效率；后者是一種復(fù)雜的安全套件，用于測(cè)量物聯(lián)網(wǎng)器件實(shí)現(xiàn)各種加密機(jī)制的電能和性能開銷。二者均會(huì)在2017年底提供給成員和被許可人使用。
基準(zhǔn)測(cè)試如同汽車，需要人來(lái)運(yùn)行。因此，我們鼓勵(lì)大家敦促所有MCU供應(yīng)商運(yùn)行并發(fā)布器件結(jié)果。我們還需要更多供應(yīng)商將ULPMark結(jié)果包括在其數(shù)據(jù)手冊(cè)中。這會(huì)顯著增加數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)格特性的可信度和實(shí)際可比性。如果MCU供應(yīng)商未公布這些認(rèn)證結(jié)果，那么您就要問(wèn)："為什么不公布，你們?cè)陔[藏什么？"
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