發(fā)揮ARM Cortex-M3和M4微控制器最大作用的要訣

多項秘訣造就巧妙解決方案

嵌入式設計的成敗經(jīng)常取決于如何在系統性能、能耗和解決方案成本之間找到適當的平衡。許多情況下，開(kāi)發(fā)人員可以采用Cortex-M處理器上的獨特特性來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品成本或能源需求，同時(shí)維持、甚至提升它的性能。例如，Cortex-M內核天生的串行I/O能力能夠用于節省能源、簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)、釋放外設以用于其它應用任務(wù)。

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(guò)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(gè)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(jìn)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(lái)的優(yōu)點(diǎn)。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(zhuān)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(gè)重要的優(yōu)勢在于，它讓微控制器在進(jìn)入最低的休眠模式時(shí)，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(shí)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(shí)間。這些統計數字能夠與電流測量結合起來(lái)，幫助開(kāi)發(fā)人員對設計功耗進(jìn)行微調。

基于Cortex-M的微控制器供應商正在開(kāi)始重新認識這項優(yōu)點(diǎn)，而且有些廠(chǎng)商已經(jīng)為了這個(gè)目的而把功耗模式和電流測量硬件納入到本身的開(kāi)發(fā)平臺。例如，Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU入門(mén)級和開(kāi)發(fā)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(gè)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(guān)的問(wèn)題。

圖3：軟硬件工具精確定位耗能最大的功能，無(wú)需示波器和萬(wàn)用表，快速排除問(wèn)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(shí)直接進(jìn)入休眠）是另一項“一箭雙雕”的功能，可同時(shí)節省CPU周期和能耗。這點(diǎn)在由中斷所驅動(dòng)的應用中格外有用，因為處理器的大部分時(shí)間不是在執行中斷處理，就是在中斷事件之間休眠。在進(jìn)入中斷服務(wù)例程（ISR）時(shí)，MCU必須花費好幾個(gè)指令周期把當前線(xiàn)程狀態(tài)入棧，然后在退出中斷處理返回時(shí)恢復原有線(xiàn)程狀態(tài)，即“出棧”。當應用需要處理器在退出ISR后直接進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，傳統MCU仍然必須恢復原先存儲的狀態(tài)信息，然后線(xiàn)程代碼才能讓MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)。同樣地，當下次的中斷喚醒MCU時(shí)，它的狀態(tài)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(huì )在中斷處理完成后直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，而不用先返回到原有線(xiàn)程上（見(jiàn)圖4）。這會(huì )使處理器仍然保持在中斷狀態(tài)，因為消除了喚醒再入棧過(guò)程，因而節省下許多寶貴的機器周期。消除入棧出棧過(guò)程既節省了時(shí)間也節省了能耗，否則電能就會(huì )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(shí)，出棧過(guò)程將會(huì )自動(dòng)進(jìn)行。

圖4：ARM Cortex-M的Sleep-on-Exit功能通過(guò)避免不必要的代碼執行和減少出棧入棧操作降低功耗。（引自：《The Definitive Guide to the ARM Cortex-M31》）