如何为物联网设备选择低功耗微控制器,以及在板载外设方面要注意哪些问题.doc
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1、如何为物联网设备选择低功耗微控制器,以及在板载外设方面要注意哪些问题对于电池供电的互连设备而言,能耗是至关重要的,降低能耗可以最大程度地延长电池的更换时间,甚至让设备在没有环境能量源的情况下运行。虽然很多嵌入式系统开发人员精通优化代码,但要为物联网 (IoT) 设备节省能源,还需要更加全面的方法。此类方法不仅必须要考虑存储容量、MCU 性能和功耗的因素,还必须考虑到无线电、模拟电路、电源转换器和传感器。虽然所有这些因素都会影响系统的整体能耗,但开发人员最好控制的主要因素是微控制器。本文将描述如何为物联网设备选择低功耗微控制器,以及在板载外设方面要注意哪些问题。本文还将演示如何使用功率监测工具,
2、并提供达到最佳功率及性能的技巧和诀窍。选择低功耗微控制器架构要选择低功耗微控制器,首先必须确定微控制器应该使用的合适处理器内核。目前行业中有很多专有微控制器内核,但从 ARM Cortex-M 微控制器入手是非常合理的选择。业界的多家供应商都支持这些微控制器内核,从而形成了提供支持和资源的稳定生态环境。为了最大程度地降低能耗,必须及早考虑到两大因素:性能和能效。对于微控制器而言,这两个指标很难量化,但开发人员可以使用两种基准标准: EEMBC 的 CoreMark 和 ULPmark。CoreMark 用于测量微控制器的处理能力,这个值越高,处理能力就越强。例如,STMicroelectron
3、ics STM32L053 处理器可使用 STM32L053 Nucleo 开发板进行测试,它的 CoreMark 值为 75.18。另一款 STMicroelectronics 零件 STM32F417 的 CoreMark 值为 501.85。初看起来,开发人员可能认为使用 STM32F417 是可取的,因为它的性能似乎出色得多。但是,在做出决定之前,还要考虑另外几个因素。图 1: STMicroelectronics 的 STM32L053 Nucleo 板采用 ARM Cortex-M0+ 内核,专门针对低功耗、资源受限的应用而设计。(图片来源:STMicroelectronics)首
4、先,CoreMark 只是告诉开发人员它能够在一秒钟内执行多少次基准测试迭代。在不同时钟速率下运行的处理器将产生差异很大的值。对处理能力进行比较的更好方式是比较 CoreMark/MHz。在本例中,STM32L053 处理器得出的结果为 2.35,而 STM32F417 得出的结果为 2.98(数据来源: EEMBC)。两款处理器在效率方面非常接近。其次,开发人员必须关注内核架构。STM32L053 采用 ARM Cortex-M0+,该处理器经过优化,具有很低的功耗,而且调试模块的数量最少。此外,它还舍弃了高性能处理器上的所有附加部件,这些也是功耗最高的部件。而 STM32F417 采用 A
5、RM Cortex-M4,该处理器是作为高性能处理器设计的,在 168 MHz 而不是 32 MHz 的时钟速度下运行。该时钟速度达到了 STM32L053 的五倍,但 CoreMark/MHz 值仅提高了 26%。ULPmark 可测量微控制器执行操作(例如计算和存储器操作)的效率高低。最新版本甚至可测量外设效率,让开发人员能够很好地从能源利用的视角,了解处理器的整体效率如何。寻找合适的外设组合微控制器内核只是开发人员在选择低功耗微控制器时应该考虑的第一个因素。应该考虑的另外一个因素是板载外设。CPU 的能耗大小在很大程度上取决于外设。开发人员希望确保他们选择的零件采用尽可能自动化的低功耗外
6、设。首先,开发人员应该寻找提供了不止一个直接存储器访问 (DMA) 通道的器件。利用 DMA,开发人员能够在微控制器内部传输更多信息,而无需 CPU 干预。这意味着 CPU 能够腾出手做其他工作,例如运行应用程序代码,或者关闭或进入深度休眠模式以节省能耗。同时,DMA 通道还用于将数据从外设传输到存储器,从存储器传输到外设,甚至在存储器的不同区域之间进行传输。Texas Instruments 的 MSP430FR5994 就是专为低功耗工作设计的零件的很好例子,MSP430FR5994 Launchpad 开发套件包括了这种零件。MSP430FR5994 带有内置的 DMA 控制器,它有六个
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