如何发挥ARM Cortex-M3和M4微控制器最大作用?

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  基于SWO的调试还有一个重要的优势在于,它让微控制器在进入最低的休眠模式时,保持调试连接有效,而在大多数情况下,传统的调试连接这时是不能正常工作的。SWO的指令追踪还可以用于跟踪程序计数器,以帮忙IDE统计出程序各项功能所占用的时间。这些统计数字能够与电流测量结合起来,帮助开发人员对设计功耗进行微调。

  基于Cortex-M的微控制器供应商正在开始重新认识这项优点,而且有些厂商已经为了这个目的而把功耗模式和电流测量硬件纳入到本身的开发平台。例如,Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU入门级和开发级工具包都包含功耗测量输出,并可搭配energyAware Profiler工具6中的程序代码追踪功能。

  智能休眠节省每一微瓦

  ARM Cortex-M处理器的Sleep-on-Exit(中断完成时直接进入休眠)是另一项“一箭双雕”的功能,可同时节省CPU周期和能耗。这点在由中断所驱动的应用中格外有用,因为处理器的大部分时间不是在执行中断处理,就是在中断事件之间休眠。在进入中断服务例程(ISR)时,MCU必须花费好几个指令周期把当前线程状态入栈,然后在退出中断处理返回时恢复原有线程状态,即“出栈”。当应用需要处理器在退出ISR后直接进入休眠状态时,传统MCU仍然必须恢复原先存储的状态信息,然后线程代码才能让MCU进入休眠状态。同样地,当下次的中断唤醒MCU时,它的状态必须再次入栈。

  而当使能ARM Cortex-M微控制器上的Sleep-on-Exit功能后,MCU就会在中断处理完成后直接进入休眠状态,而不用先返回到原有线程上。这会使处理器仍然保持在中断状态,因为消除了唤醒再入栈过程,因而节省下许多宝贵的机器周期。消除入栈出栈过程既节省了时间也节省了能耗,否则电能就会被不必要的指令周期白白消耗,也包括哪些传统MCU在休眠和唤醒之间管理堆栈的代码。而且,当处理器被中止调试请求(Halt Debug Request)唤醒时,出栈过程将会自动进行。

   ARM Cortex-M4运行更快、休眠功耗更低

  像许多MCU一样,Cortex-M3/4处理器通常能够采用高时钟速率的方法在中断驱动的应用中节省能耗。如果处理器大部分时间处于休眠状态,这种看似违背直觉但普遍采用的节能策略就会很好,因为运行时间减少所节省的能耗远远大于稍高的操作电流。简单来说,多花10%的电可以省掉20%的时间,总体来说是节能了。

  这种技术可以应用在任何Cortex-M系列的处理器上,而涉及密集运算任务的应用也能从Cortex-M4处理器的额外能力中受益。它的单周期DSP指令和可选的浮点加速器能大大减少诸如数字信号处理、过滤、分析或波形合成等功能所需要的执行周期数。

  一些应用仅仅需要DSP处理能力。例如,有些安全系统采用一种以声学分析来感测玻璃破损的装置。玻璃破损时会发出一连串独特的声音和振动,并且在玻璃特有的固有频率时达到最大,在这个例子中是13kHz。大多数采用传感器接口的系统只有在所监测的频率被监测到时,才唤醒处理器。但是当设计中使用带DSP功能的Cortex-M4时就能额外节能,因为它在执行实际的玻璃破损分析时比软件解决方案更快。

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