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发挥ARM Cortex-M3和M4微控制器最大作用的要诀

作者:时间:2014-01-21来源:网络收藏

多项秘诀造就巧妙解决方案

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/256977.htm


嵌入式设计的成败经常取决于如何在系统性能、能耗和解决方案成本之间找到适当的平衡。许多情况下,开发人员可以采用Cortex-M处理器上的独特特性来优化产品成本或能源需求,同时维持、甚至提升它的性能。例如,Cortex-M内核天生的串行I/O能力能够用于节省能源、简化开发、释放外设以用于其它应用任务。


除了传统的串行调试(Serial Wire Debug)功能之外,基于 Cortex-M的MCU还可以通过它的单引脚串行监视器输出(Serial Wire Viewer Output,)3提供指令跟踪接口,如图2所示。这个接口可以直接把“printf格式的”调试信息传递给应用代码。允许调试信息直接在任何标准的IDE中浏览。此外,这些信息也可以用独立的监视器(例如,Segger的J-Link SWO Viewer软件4,或是Silicon Labs的energyAware Commander 4)进行浏览。由于SWO输出内建于内核硬件本身,因此它是Cortex-M内核与生俱来的优点。SWO不占用MCU的任何UART接口,这些接口它们可能早已被分配给了应用。


图2:专用 Cortex SWO接口节省I/O引脚并加速调试。

基于SWO的调试还有一个重要的优势在于,它让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。图3显示了如何让设计人员精确定位到哪个程序功能块最耗费能源,并且能够快速调试其它与能源有关的问题。



图3:软硬件工具精确定位耗能最大的功能,无需示波器和万用表,快速排除问题。


智能休眠节省每一微瓦


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(见图4)。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。

图4:ARM Cortex-M的Sleep-on-Exit功能通过避免不必要的代码执行和减少出栈入栈操作降低功耗。(引自:《The Definitive Guide to the ARM 1》)



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