ARM Cortex M3/M4微控制器最大效率設計三秘訣

大部分采用Cortex-M3/M4 MCU的目標應用是便攜式的，并且供電電源來自電池或能源收集系統，因此我們所探討的大部分概念涉及如何減少系統整體能耗的技術。然而，在許多情況下，這些節能技術也是處理器應用設計的有力工具，可提供：

●更符合成本效益的解決方案

●更大的升級和采用新特性的設計冗余

●有助于產品在激烈競爭市場上脫穎而出的性能和特性

小知識：Cortex-M3對比Cortex-M4

Cortex-M3架構背后的指導思路是設計一種既要滿足應用的成本效益又要提供高性能計算和控制1的處理器。類似的應用包括汽車車身系統、工業控制系統和無線網絡/傳感器產品等。M3系列為32位的ARM處理器架構引進了多項重要特性，包括：

●不可屏蔽式中斷

●高度確定性、嵌套、向量式中斷

●原子位操作

●可選的存儲保護(MPU)

除了絕佳的計算性能，Cortex-M3處理器先進的中斷結構還能確保系統迅速響應真實世界的事件，同時仍然提供極低的動態與靜態功耗。

圖1 ARM Cortex M3和M4對比

進入正題

SWO接口節省I/O引腳并加速調試

除了傳統的串行調試(Serial Wire Debug)功能之外，基于ARM Cortex-M的MCU還可以通過它的單引腳串行監視器輸出(Serial Wire Viewer Output，SWO)3提供指令跟蹤接口，如圖2所示。這個接口可以直接把“printf格式的”調試信息傳遞給應用代碼。SWO允許調試信息直接在任何標準的IDE中瀏覽。此外，這些信息也可以用獨立的SWO監視器(例如，Segger的J-Link SWO Viewer軟件4，或是Silicon Labs的energyAware Commander 4)進行瀏覽。由于SWO輸出內建于內核硬件本身，因此它是Cortex-M內核與生俱來的優點。SWO不占用MCU的任何UART接口，這些接口它們可能早已被分配給了應用。

圖2 專用ARM Cortex SWO接口節省I/O引腳并加速調試

基于SWO的調試還有一個重要的優勢在于，它讓微控制器在進入最低的休眠模式時，保持調試連接有效，而在大多數情況下，傳統的調試連接這時是不能正常工作的。SWO的指令追蹤還可以用于跟蹤程序計數器，以幫忙IDE統計出程序各項功能所占用的時間。這些統計數字能夠與電流測量結合起來，幫助開發人員對設計功耗進行微調。

目前一些供應商正在開始重新認識這項優點，而且有些廠商已經為了這個目的而把功耗模式和電流測量硬件納入到本身的開發平臺。例如，Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU入門級和開發級工具包都包含功耗測量輸出，并可搭配energyAware Profiler工具6中的程序代碼追蹤功能。圖3顯示了如何讓設計人員精確定位到哪個程序功能塊最耗費能源，并且能夠快速調試其它與能源有關的問題。

圖3 軟硬件工具精確定位耗能最大的功能，無需示波器和萬用表，快速排除問題

智能休眠節省每一微瓦

ARM Cortex-M處理器的Sleep-on-Exit(中斷完成時直接進入休眠)是另一項“一箭雙雕”的功能，可同時節省CPU周期和能耗。這點在由中斷所驅動的應用中格外有用，因為處理器的大部分時間不是在執行中斷處理，就是在中斷事件之間休眠。在進入中斷服務例程(ISR)時，MCU必須花費好幾個指令周期把當前線程狀態入棧，然后在退出中斷處理返回時恢復原有線程狀態，即“出棧”。當應用需要處理器在退出ISR后直接進入休眠狀態時，傳統MCU仍然必須恢復原先存儲的狀態信息，然后線程代碼才能讓MCU進入休眠狀態。同樣地，當下次的中斷喚醒MCU時，它的狀態必須再次入棧。

而當使能ARM Cortex-M微控制器上的Sleep-on-Exit功能后，MCU就會在中斷處理完成后直接進入休眠狀態，而不用先返回到原有線程上(見圖4)。這會使處理器仍然保持在中斷狀態，因為消除了喚醒再入棧過程，因而節省下許多寶貴的機器周期。消除入棧出棧過程既節省了時間也節省了能耗，否則電能就會被不必要的指令周期白白消耗，也包括哪些傳統MCU在休眠和喚醒之間管理堆棧的代碼。而且，當處理器被中止調試請求(Halt Debug Request)喚醒時，出棧過程將會自動進行。

圖4：ARM Cortex-M的Sleep-on-Exit功能通過避免不必要的代碼執行和減少出棧入棧操作降低功耗

ARM Cortex-M4運行更快、休眠功耗更低

像許多MCU一樣，Cortex-M3/4處理器通常能夠采用高時鐘速率的方法在中斷驅動的應用中節省能耗。如果處理器大部分時間處于休眠狀態，這種看似違背直覺但普遍采用的節能策略就會很好，因為運行時間減少所節省的能耗遠遠大于稍高的操作電流。簡單來說，多花10%的電可以省掉 20%的時間，總體來說是節能了。

這種技術可以應用在任何Cortex-M系列的處理器上，而涉及密集運算任務的應用也能從Cortex-M4處理器的額外能力中受益。它的單周期DSP指令和可選的浮點加速器能大大減少諸如數字信號處理、過濾、分析或波形合成等功能所需要的執行周期數。

上面提及的節能特性也能帶來其它優勢。例如，在超音波/聲學水表之類的應用中，它們必須在小電池供電下運行多年，需要MCU盡可能長的保持在休眠狀態。除了有助于減少MCU喚醒時間之外，Cortex-4 DSP和浮點算術指令也能使用成熟的濾波功能從廉價聲學傳感器輸出中獲得所需的信息，從而避免采用昂貴的超聲波流量傳感器。在這個應用實例中，Wonder Gecko MCU的外設還能夠作為模擬狀態機提供額外的能量節省，它僅僅在需要時才喚醒Cortex-M4處理器。