1
Jednym słowem mikroprocesor to procesor wykonany w skali mikro w technologii mikroelektronicznej. Procesor to układ (urządzenie) przetwarzające informacje z zewnątrz. Lub jeszcze inaczej Procesor (ang. processor) - urządzenie cyfrowe sekwencyjne potrafiące pobierać dane z pamięci, interpretować je i wykonywać jako rozkazy. Wykonuje on bardzo szybko ciąg prostych operacji (rozkazów) wybranych ze zbioru operacji podstawowych określonych zazwyczaj przez producenta procesora jako lista rozkazów procesora. 2
Układ sterowania też posiada rejestry np. licznik programu (program counter) Inny przykład, rysunek z Internetu, dobrze pokazuje budowę. Widać tu dodatkowo inny ważny element budowy: magistrale. 3
Wykonanie rozkazu zasadniczo możemy podzielić na dwie fazy: pobrania i wykonania. Jednak na grafie poniżej z lewej można wyróżnić jeszcze bardziej szczegółowe etapy (operacje) realizacji rozkazu. Jest by to: pobranie rozkazu z pamięci do IR, dekodowanie rozkazu, pobranie argumentów (lub nie jeśli nie trzeba), wykonanie, zapis wyników. Nie zawsze wszystkie etapy muszą występować, to zależy od rodzaju rozkazu od tego co jest do zrobienia. 4
Pierwszy rodzaj podziału ze względu na budowę. Architektura mieszana czasami jest nazywana jako Harwardzka zmodyfikowana. 5
Wszystko wspólne. Wszystko rozdzielone. 6
Magistrale wspólne, ale przestrzeń adresowa rozdzielona, tzn. oddzielne układy pamięci. Drugi rodzaj podziału ze względu na model programowy, można by powiedzieć: ilość i rodzaj instrukcji. 7
8
9
System mikroprocesorowy przetwarza dane pobrane z zewnątrz zgodnie z pewnym ustalonym programem, a wyniki tych działań są wysyłane na zewnątrz przez wyjście. 10
Czyli mikrokontroler to scalony system (mikro)procesorowy. 11
Przedstawiając energooszczędny mikrokontroler EFM32 firmy Silicon Labs będziemy mieć na względzie optymalizację systemu pod kątem zużycia energii, a właściwie redukcję zużycia energii. Trzeba zadać sobie pytanie, albo przypomnieć, czym jest energia w układach elektronicznych. To iloczyn mocy i czasu. Na pytanie: jak osiągnąć redukcję zużycia energii, odpowiem na następnych slajdach. 12
Przedstawię tu pokrótce odpowiedź na postawione wcześniej pytanie wg Silicon Labs (dawniej Energy Micro ta nazwa właściwie oddawała pewną ideę zawartą w ich produktach). W swoich mikrokontrolerach producent zastosował kilka ciekawych rozwiązań prowadzących do oszczędności energii, a mianowicie: 13
Przyjazne energetycznie mikrokontrolery EFM32 zostały zaprojektowane tak, aby znacznie ograniczyć pobor energii w trybie aktywnym dzięki właściwemu wyborowi architektury. Przy częstotliwości 32 MHz i napięciu zasilania 3 V MCU zużywa tylko 150 μa / MHz, wykonując rzeczywisty kod. 14
Silicon Labs zbudował rodzinę mikrokontrolerów EFM32 bazując na 32-bitowym rdzeniu procesora ARM Cortex -M. Architektura Cortex-M została opracowana z myślą o aplikacjach reagujących na obciążenia i wrażliwych na zużycie energii oraz jest znacznie bardziej wydajna niż 8- i 16- bitowe procesory. Dzięki temu zadania są wykonywane z mniejszą liczbą cykli zegara, co znacznie redukuje okres pracy aktywnej. 15
Mikrokontrolery EFM32 minimalizują nieefektywny czas wybudzania czyli przejścia między trybem głębokiego uśpienia i trybem aktywnym. Okres ten nie może być zaniedbany, ponieważ energoszczędne systemy ciągle przełączają się między trybami aktywnym i uśpienia. W mikrokontrolerach EFM32 skrócono czas wybudzania z głębokiego uśpienia do 2 μs, zapewniając przy tym jak najmniejsze możliwe zużycie energii, zanim CPU zacznie przetwarzać swoje zadania po wybudzeniu. 16
EFM32 łączy w sobie technologię ultra-niskich strat statycznych z inteligentnym zarządzaniem energią, aby zmniejszyć zużycie energii w trybie gotowości (standby). Tryb głębokiego uśpienia MCU pobiera tylko 900 na, a w trybie wyłączenia zaledwie 20 na. 17
Dodatkowo w trybie najniższej aktywności i głębokiego uśpienia, urządzenia peryferyjne EFM32 mogą działać w trybach niskoenergetycznych bez użycia CPU. Korzystając z autonomicznych urządzeń peryferyjnych, aplikacja może zmniejszyć zużycie energii i ciągle może wykonywać bardzo zaawansowane zadania. 18
Refleksyjny system peryferii (bo tak przetłumaczyłem peripheral reflex system) umożliwia bezpośrednie podłączenie jednego urządzenia peryferyjnego do innego bez udziału CPU. Dzięki temu systemowi jakieś urządzenie peryferyjne może wytwarzać sygnały, które inne urządzenia peryferyjne mogą odbierać i reagować natychmiast, podczas gdy CPU pozostaje uśpiony. 19
Dobrze zaprojektowane Tryby Energetyczne. Mikrokontrolery EFM32 mają 5 efektywnych trybów energetycznych, które dają projektantom systemów wbudowanych elastyczność w celu optymalizowaniu ich aplikacji dla zapewnienia najwyższej wydajności i najdłuższej żywotności baterii. 20
Tu w tabeli zebrano podstawowe cechy wszystkich 5 trybów energetycznych. Pobór mocy oraz dostępne urządzenia w MCU. 21
LESENSE zapewnia konfigurowalny i energooszczędny sposób kontrolowania do 16 zewnętrznych czujników analogowych bez udziału CPU. Jest to uniwersalny, niskoenergetyczny interfejs czujników pracujący w trybie głębokiego uśpienia (900 na). Umożliwia on autonomiczne monitorowanie praktycznie każdego typu analogowego czujnika, w tym czujników pojemnościowych, indukcyjnych i rezystancyjnych. Na przykład układ LESENSE może być skonfigurowany do inteligentnego monitorowania wartości czujników i podejmowania działań przez PRS, aby obudzić procesor tylko w przypadku przekroczenia zaprogramowanych progów zatem powtarzające się marnujące energię budzenie CPU nie jest konieczne. Na slajdzie widzimy porównanie pracy zwykłego procesora i EFM. 22
Z budowy mikrokontrolera, jego peryferii, ich indywidualnych możliwości i zdolności współpracy wynika sposób tworzenia aplikacji energooszczędnych. Trzeba nauczyć się efektywnie wykorzystywać te wszystkie własności. Firma Energy Micro (obecnie Silicon Labs), można powiedzieć, że uknuła stwierdzenie energy friendly Gecko technology, bo jak się później okaże cały mikrokontroler jest tak właśnie zaprojektowany. Pewna idea została zaczerpnięta z zachowania gekonów. Może było odwrotnie, ktoś zauważył, że te mikroprocesory zachowują się właśnie jak gekony? 23
Można wymienić ogólne zasady pozwalające na zmniejszenie konsumpcji energii, co ma szczególne znaczenie w przypadku zasilania bateryjnego. Pewne rozwiązania same się nasuwają, jako logiczne. Wymienione tu zasady są w większości zastosowane w mikrokontrolerach EFM32. Nie można jednak skupić się tylko na jednym parametrze tj. na mocy. Istotna jest energia, czyli iloczyn P*t. Przykładowo, gdyby zmniejszyć moc o połowę, co spowodowałoby wydłużenie czasu realizacji jakiegoś zadania np. 3 krotnie to w efekcie nastąpi zwiększenie zużycia energii. Taka redukcja mocy w rzeczywistości zwiększa zużycie energii. Jednak może to być czasami zabieg sensowny gdy chcemy zmniejszyć ilość wydzielanego ciepła, bo nie możemy go skutecznie odprowadzić z układu. 24
Do innych urządzeń też to się odnosi czas pracy tylko niezbędny do realizacji zadania, a potem wyłączyć. Mam tu namyśli układy peryferyjne MCU. 25
Trzeba nauczyć się pewnej filozofii korzystania z zasobów tego MCU. 26
27
Są dwa podejścia do doboru częstotliwości pracy CPU w mikrokontrolerze. I: żeby wystarczyło mu (CPU) czasu na zrobienie tego co potrzeba, oczywiście z pewnym marginesem, i żeby nie wchodził w stan jałowy (idle) długo oczekując na następne zadanie zegar klika, a procesor nic nie robi, tylko czeka i konsumuje energię. II: CPU szybko realizuje aktualne zadanie i po skończeniu przechodzi w stan uśpienia. W przypadku EMF32 mamy dużo stanów energetycznych, to możemy wybierać. Które rozwiązanie jest lepsze? 28
W tabeli zawarto rodziny 32-bitowych mikrokontrolerów Silicon Labs. Jako przykład będziemy omawiać później Giant Gecko, ponieważ taki będzie wykorzystywany na zajęciach laboratoryjnych. 29
Na rysunku przedstawiono schemat blokowy mikrokontrolera EMF Giant Gecko, który będzie szczegółowo przedstawiony dalej. Jak to już powiedziano wcześniej, definiując MCU (Microcontroller Unit), składa się on z centralnej jednostki procesorowej CPU (Central Processing Unit), pamięci, układów wejścia/wyjścia (I/O) oraz dodatkowo z innych układów peryferyjnych, jak np. ADC (Analog to Digital Converters) i innych widocznych na rysunku. 32
Mikrokontroler może pracować w jednym z pięciu trybów energetycznych: EM0 EM4. Graficznie są przedstawione jako kolorowa tarcza. Kolorami z niej zaznaczono te bloki mikrokontrolera, które są aktywne i dostępne dla programisty w poszczególnych trybach energetycznych. Tryb EM0 jest to w pełni aktywny tryb i wszystkie elementy i funkcje są dostępne. Przesuwając się w stronę środka tarczy przechodzimy do kolejnych bardziej wydajnych energetycznie trybów. Zatem w EM1 niedostępny jest rdzeń. W trybie EM2 dostępne są bloki w kolorach niebieskich (od jasnego do najciemniejszego). W trybie EM3, tylko te pokolorowane na średni niebieski i bardzo ciemny. W trybie EM4 następuje praktycznie wyłączenie mikrokontrolera, a pobór prądu spada do 20 na. Pracują tylko te bloki, które pozwalają na wyprowadzenie mikrokontrolera z tego stanu czyli włączenie go. 33
Teraz dokładniej omówimy tryb energetyczny EM0, w którym dostępne są wszystkie zasoby MCU. Mikrokontroler pracuje w tym trybie po resecie. 32
W EM1 niedostępny jest CPU, który na tym rysunku został zasłonięty szarym prostokątem. 33
Ad.1. Blokada zegara ma pewne konsekwencje na przyszłość. Ad.2. Praca autonomiczna przykładowo: timer może cyklicznie wyzwalać ADC do konwersji w stałych odstępach czasu, a po zakończonej konwersji wynik jest przesyłany do RAMu za pośrednictwem DMA. Po wykonaniu zadanej liczby przetwarzań układ DMA może obudzić CPU. Ad.3. Podtrzymanie zawartości rejestrów nie wymaga zachowywania ich na stosie podczas wchodzenia w ten tryb pracy. Podobnie odtwarzanie ich zawartości nie zabiera czasu podczas wybudzania CPU, co pozwala na szybkie wyjście z tego stanu np. przez przerwanie, którego nie trzeba obsługiwać, bo wszystko jest w pamięci. Ad. 5. Dzięki temu, że zegar procesora ciągle pracuje jest zablokowany, a nie wyłączony przejście do podstawowego trybu EM0 zajmuje tylko jeden cykl zegara. 34
Coraz więcej bloków jest zrobiona na szaro 35
Ad.2. Pracuje zegar na kwarcu zegarkowym (32,768 khz) oraz dostępne są następujące funkcje. Kontroler LCD może sterować wyświetlaczem. Low Energy Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (LEUART) może nadawać lub odbierać dane. Zegar RTC pracuje (odmierza czas) i może obudzić jednostkę centralną CPU po zaprogramowanym czasie (liczbie zliczonych taktów zegara). Komparator analogowy (ACMP) może pracować kontrolując napięcie. Układ GPIO sprawdza stan na liniach wejścia/wyjścia. Ad.6. Argument bool restore oznacza, że należy przywrócić zegary przy budzeniu. 36
37
Ad.1. Głębsza wersja głębokiego snu czyli trybu EM2 umożliwiająca dalszą redukcję poboru energii jednocześnie zachowując dostępność pewnych ograniczonych autonomicznych peryferii. Ponadto, co najważniejsze, wciąż możliwe jest szybkie wybudzenie mikrokontrolera. Ad.2. Wybudzenie CPU: przez asynchroniczne zewnętrzne przerwanie lub z kilku wewnętrznych źródeł, tj. komparator analogowy (ACMP), licznik impulsów (PCNT) i przez zaadresowanie na magistrali I 2 C. 38
39
Ad.1. Wszystkie funkcje są wyłączone (power down) poza monitorem przerwań na pinach: RESET, pin wakeup GPIO i zegarem RTC. Ad.2. Wybudzenie przez restart tzn. wymaga resetu lub przerwania. To pociąga zimny start MCU, a za tym start zegara dużej częstotliwości, który musi uruchomić się i ustabilizować zanim CPU wykona pierwszą instrukcję. Niemal jak po włączeniu zasilania. To wszystko wymaga stosunkowo dużo czasu. Ad.3. Podobnie jak w większości mikrokontrolerów, tak samo w EMF32, zawartość rejestrów i pamięci jest tracona w tym trybie. Jednakże EMF32 posiada 512-bajtowy blok pamięci, który jest zasilany. Podobnie tracone są informacje nt. konfiguracji układu, za wyjątkiem przypisania pinów GPIO (bo musimy wiedzieć, gdzie jest pin wake-up). Ad.4. Pobór mocy wynosi 20 na (400 na z pracującym zegarem RTC). Typowe wartości dla podobnych 32-bitowych mikrokontrolerów wynoszą: 1,5 μa. Ad.5. Czas powrotu mikrokontrolera ze stanu wyłączenia (EM4) do aktywnego (EM0) wynosi: 160 μs. 40
Diagram na rysunku przedstawia możliwości przełączania między trybami pracy mikrokontrolera. Po resecie MCU pracuje w trybie EM0. Przejścia z EM0 do innych trybów możliwe są na drodze programowej. EM0 jest najaktywniejszym trybem, w którym dostępne są wszystkie zasoby funkcjonalne. Zatem w tym trybie jest największy pobór energii. W niższych trybach energetycznych: od EM1 do EM4 mniejsza funkcjonalność jest dostępna ale pobór energii jest zredukowany. Jednostka centralna (rdzeń) Cortex-M3 nie wykonuje żadnych operacji (instrukcji) w niższych trybach energetycznych. Jednakże w każdym z tych trybów energetycznych jest inny pobór mocy spowodowany różnym zbiorem aktywnych peryferii i różną ich konfiguracją tu tkwią możliwości redukcji zużycia energii w tym mikrokontrolerze. Przejście z trybu EM0 do energetycznie oszczędniejszych (EM1 do EM4) może być wywołane tylko programowo. Powrót do trybu aktywnego inaczej mówiąc wybudzenie jest wywoływany tylko na drodze sprzętowej. W przypadku przejścia z trybów EM1, EM2 i EM3 do EM0 następuje ono przez przerwanie lub inne zdarzenie. W przypadku przejścia z trybu EM4 do EM0 występują jeszcze większe ograniczenia. W zasadzie możliwy jest tylko RESET lub jego, powiedzmy, odmiany. Konkretnie: pin reset, power-on reset lub EM4 wakeup. Reset jest wykonywany przez aktywowanie linii RESET. Power-on-reset polega na odłączeniu zasilania i ponownym jego podłączeniu oczywiście linia zasilająca. EM4 wakeup polega na aktywowaniu określonego pinu. Możliwy jest wybór pinu i określenie (zaprogramowanie) jakim stanem ma być aktywowany (wysokim czy niskim). Rejestr GPIO_EM4WUEN odpowiada za wybór pinu. Dostępne piny to np. A0, A6, C9, F1, F2, E13. Rejestr GPIO_EM4WUPOL odpowiada za wybór polaryzacji. Nie ma możliwości przechodzenia pomiędzy trybami EM1 EM4 inaczej, jak tylko powrót do EM0, co jest widoczne na diagramie. Pobudka zawsze przenosi MCU do trybu EM0, z którego można programowo przełączyć się do dowolnego, innego. 41