最小化ARM Cortex-M CPU功耗的方法與技巧

　　此外，Cortex-M0+內核也可以通過(guò)減少到兩級流水線(xiàn)而降低功耗。在通常的流水線(xiàn)處理器中，下一條指令在CPU執行當前指令時(shí)被取出。如果程序產(chǎn)生分支，并且不能使用下一條取出的指令，那么被用于取指(分支影子緩沖器)的功耗就被浪費了。在兩級流水線(xiàn)中，這個(gè)分支影子緩沖器縮小了，因此能耗得以節省(雖然僅有少量)，這也意味著(zhù)在發(fā)生流水線(xiàn)刷新時(shí)，僅需要不到一個(gè)時(shí)鐘周期就能重新填充流水線(xiàn)(如圖5所示)。

　　5 利用GPIO端口節能

　　Cortex-M0+內核提供節能特性的另一個(gè)地方是它的高速GPIO端口。在Cortex-M3和Cortex-M4內核中，反轉一位或GPIO端口的過(guò)程是“讀-修改-寫(xiě)”一個(gè)32位寄存器。雖然Cortex-M0+也可以使用這個(gè)方法，但是它有一個(gè)專(zhuān)用的32位寬I/O端口，可以采用單時(shí)鐘周期訪(fǎng)問(wèn)GPIO，使得它能夠高效的反位/引腳反轉。注意：在Cortex-M0+上，這是一個(gè)可選的特性，并不是所有供應商都具備了這個(gè)有用的GPIO特性。

　　6 CPU的休眠模式

　　減少CPU功耗的最有效方法之一是關(guān)閉CPU自身。在Cortex-M架構中有多種不同的休眠模式，每一種都在功耗和再次執行代碼的啟動(dòng)時(shí)間之間進(jìn)行了折中考慮(如圖6所示)。它也能夠讓CPU在完成中斷服務(wù)后自動(dòng)進(jìn)入某個(gè)休眠模式，而不需要執行任何代碼去完成這個(gè)工作。這種方法可以為那些常見(jiàn)于超低功耗應用中的任務(wù)節省CPU時(shí)鐘周期。

　　在深度睡眠模式下，也可以使用喚醒中斷控制器(WIC)來(lái)減輕NVIC負擔。在使用WIC時(shí)，為實(shí)現低功耗模式下外部中斷喚醒CPU，無(wú)需為NVIC提供時(shí)鐘。

　　7 自主型外設可減輕CPU負荷

　　自主型片上外設具有降低功耗的優(yōu)點(diǎn)。大多數MCU供應商已經(jīng)在本身產(chǎn)品架構中實(shí)現了外設之間的自主型交互，例如Silicon Labs的EFM32 MCU使用的外設反射系統(PRS)。自主型外設能夠實(shí)現十分復雜的外設動(dòng)作鏈(觸發(fā)而不是資料傳輸)，同時(shí)保持CPU處于休眠狀態(tài)。例如使用EFM32 MCU上的PRS功能，應用能夠被配置為在CPU休眠的低功耗模式下，當片上比較器檢測電壓值超過(guò)了其預設的門(mén)限值，則觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器去開(kāi)始減數。當定時(shí)器到達0時(shí)，觸發(fā)DAC去開(kāi)始輸出 — 所有事件發(fā)生過(guò)程中CPU可以一直保持休眠狀態(tài)。

　　自動(dòng)進(jìn)行如此復雜的交互，這使得外設之間能夠完成大量工作而無(wú)需CPU參與。此外，帶有內建智能的外設(例如傳感器接口或脈沖計數器)能夠通過(guò)預設的條件用于中斷喚醒CPU，例如在累積10個(gè)脈沖時(shí)中斷喚醒CPU。在這個(gè)例子中，當CPU被特定中斷喚醒時(shí)，它明確知道需要做什么，而不需要檢查計數器或寄存器以判別發(fā)生了什么，因此可以節省相當多的時(shí)鐘周期，更好的完成其他重要任務(wù)。

　　我們已經(jīng)介紹了多種易于實(shí)現的減輕Cortex-M設備上CPU功耗的方法。當然，還有其他因素影響功耗，例如用于加工設備的處理工藝或者用于存儲應用代碼的存儲器技術(shù)。工藝和存儲技術(shù)能夠顯著(zhù)影響運行時(shí)功耗和低功耗模式下的漏電，因此也應當納入嵌入式開(kāi)發(fā)人員的整體功耗設計考慮之中。