电路设计干货——微控制器(MCU)IO口类型详解二

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在电路设计干货----微控制器(MCU)IO口类型详解一,一文中我们提到IO口分为GPIO口和专用IO口。而GPIO的八种工作模式详解:浮空输入、带上拉输入、带下拉输入、模拟输入、开漏输出、推挽输出、开漏复用输出。那下面我们将主要介绍这些IO口的一些用法。

I/O口的输出模式下,有3种输出速度可选(2MHz、10MHz和50MHz)。

这个速度是指I/O口驱动电路的响应速度而不是输出信号的速度,输出信号的速度与程序有关(芯片内部在I/O口 的输出部分安排了多个响应速度不同的输出驱动电路,用户可以根据自己的需要选择合适的驱动电路)。

通过选择速度来选择不同的输出驱动模块,达到最佳的噪声 控制和降低功耗的目的。

高频的驱动电路,噪声也高,当不需要高的输出频率时,请选用低频驱动电路,这样非常有利于提高系统的EMI性能。当然如果要输出较高频率的信号,但却选用了较低频率的驱动模块,很可能会得到失真的输出信号。

关键是GPIO的引脚速度跟应用匹配。

比如:

1、对于串口,假如最大波特率只需115.2k,那么用2M的GPIO的引脚速度就够了,既省电也噪声小。

电路设计干货——微控制器(MCU)IO口类型详解一

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随着智能时代的到来,各种人工智能应用的产品如:车载导航系统、可穿带设备、智能家居等目不暇接,而在这中间,微控制器的应用范围越来越广泛。微控制器(Microcontroller)俗称单片机(Single-chip Microcomputer),也称为微处理器(Microprocessor)。它是把微型计算机的主要部件都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。那么在学习选用MCU和其他逻辑器件的时候我们常别人说这款芯片是推挽输出驱动能力强,这个引脚是开漏输出需要加上拉电阻。有时候会感觉一头雾水,今天就详解一下各IO口的类型与应用。

IO口分为GPIO口和专用IO口。

GPIO的八种工作模式详解:浮空输入、带上拉输入、带下拉输入、模拟输入、开漏输出、推挽输出、开漏复用输出。

1、浮空输入_IN_FLOATING

专注于引入新品并提供海量库存的电子元器件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起开售Analog DevicesADuCM4050微控制器。这款超低功耗器件采用集成式电源管理功能和SensorStrobe™技术,消耗的系统功率极低,可帮助物联网 (IoT) 边缘节点应用延长电池寿命。

贸泽供应的Analog Devices ADuCM4050微控制器搭载带浮点运算单元的Arm® Cortex®-M4核心、128 KB嵌入式SRAM和512 KB嵌入式闪存。该器件结合一系列数字外设,包括三个SPI接口、两个UART、一个I²C接口和最多51个可编程通用输入/输出 (GPIO) 引脚。此款微控制器的模拟子系统提供时钟、复位和电源管理功能,以及12位逐次逼近型寄存器 (SAR) 模数转换器 (ADC)。

ADuCM4050的主动模式耗电量为40μA/MHz(睡眠模式下为680nA),领先同级产品,非常适合特别看重功耗、安全性和稳健性的物联网应用。此款微控制器配备AES 128/256、SHA 256、用于保护代码的分组密码、密钥包装 (key wrap)以及散列消息认证码 (HMAC),可提供更强大的IP保护,并能更好地防范恶意软件和盗用。

ADuCM4050 微控制器针对的是需要长电池寿命,同时也要求安全性以及性能完整性的应用。为帮助设备实现长电池寿命,此款微控制器融合了SensorStrobe技术,让设备能够在睡眠模式下收集内部和外部传感器数据。这种低功耗、高效率的采样方式长期而言可节省大量电力。

有关详情,敬请访问www.mouser.com/adi-aducm4050-ulp-mcu

贸泽电子拥有丰富的产品线与贴心的客户服务,积极引入新技术、新产品来满足设计工程师与采购人员的各种需求。我们库存有海量新型电子元器件,为客户的新一代设计项目提供支持。Mouser网站Mouser.cn不仅有多种高级搜索工具可帮助用户快速了解产品库存情况,而且网站还在持续更新以不断优化用户体验。此外,Mouser网站还提供数据手册、供应商特定参考设计、应用笔记、技术设计信息和工程用工具等丰富的资料供用户参考。

关于贸泽电子 (Mouser Electronics)

贸泽电子隶属于伯克希尔哈撒韦集团 (Berkshire Hathaway) 公司旗下,是一家屡获殊荣的授权电子元器件分销商,专门致力于以高效的方式,向设计工程师和采购人员提供各产品线制造商的新产品。作为一家全球分销商,我们的网站mouser.cn能够提供多语言和多货币交易支持,分销来自超过750家生产商的500多万种产品。我们通过遍布全球的23个客户支持中心为客户提供贴心的服务,并通过位于美国德州达拉斯南部的 7万平方米智能化仓库向全球220多个国家/地区,超过60万家客户出货。更多信息,敬请访问:http://www.mouser.cn

关于Analog Devices

Analog Devices是全球领先的高性能模拟技术公司,致力于解决最艰巨的工程设计挑战。凭借杰出的检测、测量、电源、连接和解译技术,搭建连接现实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识所处的世界。更多详情,请浏览ADI官网 http://www.analog.com

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专注于新产品引入 (NPI) 并提供极丰富产品类型的业界顶级半导体和电子元件分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起备货Cypress SemiconductorCY8CKIT-062-WiFi-BT PSoC® 6 Pioneer套件。PSoC 6 WiFi-BT Pioneer套件适合物联网 (IoT) 应用及可穿戴设备,可用于开发使用高性能Cypress PSoC 6 微控制器的Wi-Fi应用。

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贸泽电子的Cypress PSoC 6 Wi-Fi-BT Pioneer套件包含PSoC 6 WiFi-BT Pioneer板、TFT显示扩展板、必要的跳线和USB电缆。Pioneer板提供兼容Arduino UNO扩展板和Digilent® Pmod™ 模块的接口引脚,工作电压为1.8V至3.3V。另外Pioneer板还具有板载编程器和调试器,支持大容量存储编程和自定义应用,还有512 Mb的NOR闪存作为扩展存储器。借助Pioneer板的五段式滑杆、两个按钮和一个接近感应接头,工程师可以评估Cypress最新一代的CapSense® 电容式感应技术。Pioneer套件的TFT显示扩展板包含一个2.4英寸模块、六轴动作传感器、环境光传感器IC和用于音频输入的PDM 麦克风。

Pioneer板基于即将在贸泽电子开售的PSoC 62 微控制器。该器件具有物联网应用所需的超低功耗以及重要安全功能,集成了Arm® Cortex®-M4与Arm Cortex-M0+内核、1 MB闪存、288 Kb SRAM以及104个通用输入和输出(GPIO)。此外Pioneer板还拥有USB Type-C供电系统以及基于Cypress CYW4343W Wi-Fi和蓝牙® 复合芯片的Murata LBEE5KL1DX模块,可提供2.4-GHz WLAN和蓝牙功能。

PSoC 6微控制器采用Cypres的超低功耗40-nm SONOS专利制程技术,Arm Cortex-M4和Cortex-M0+内核的有功功率分别为22 µA/MHz 和15 µA/MHz,功耗表现领先业界。这个功能强大的微控制器还提供软件定义的模拟与数字外设、多个连接选项以及可编程模拟前端 (AFE) 功能。

有关PSoC 6 WiFi-BT Pioneer套件的详细信息,敬请访问www.mouser.com/cypress-psoc6-wifi-bt-pioneer-kit。有关Cypress Semiconductor PSoC 6微控制器的详细信息,敬请访问www.mouser.com/cypress-psoc-6-soc

贸泽电子拥有丰富的产品线与卓越的客服,通过提供采用先进技术的最新产品来满足设计工程师与采购人员的创新需求。我们库存有全球最广泛的最新半导体及电子元件,为客户的最新设计项目提供支持。Mouser网站Mouser.cn不仅有多种高级搜索工具可帮助用户快速了解产品库存情况,而且网站还在持续更新以不断优化用户体验。此外,Mouser网站还提供数据手册、供应商特定参考设计、应用笔记、技术设计信息和工程用工具等丰富的资料供用户参考。

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关于Cypress Semiconductor
Cypress主要为全球最具创意的汽车、工业、智能家电、消费类电子产品和医疗产品提供先进的嵌入式系统解决方案,是业内知名的龙头企业。Cypress的微控制器、模拟IC、无线和USB连接解决方案以及高性能的可靠存储产品可帮助工程师设计出与众不同的产品并率先抢占市场。Cypress致力于为全球客户提供卓越的支持和开发资源,让那些别具匠心、不走寻常路的工程师和设计师能够打破常规,以前所未有的速度设计出让人耳目一新的产品。

围观 6

最新半导体和电子元件的全球授权分销商贸泽电子 (Mouser Electronics) 即日起备货NXP SemiconductorsS32R274雷达微控制器。S32R274结合了信号处理加速与多核架构,其在工业自动化应用中的性能最高可达前代产品的四倍,能满足现代波束成形以及快速线性调频雷达系统的高性能计算需求。

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贸泽电子供应的NXP S32R274雷达微控制器为一般软件任务和汽车总线接口提供多用途解决方案。S32R274采用射频 (RF) 前端技术(RFCMOS或BiCMOS),为设计师提供可扩展的解决方案,可满足超短距离、短距离、中距离和长距离雷达系统的需求。

此系列微控制器具有四个Power Architecture®内核(安全核采用e200Z4 32位CPU,双计算核采用e200Z7 32位CPU),具有卓越的功耗性能、集成度、安全性和可靠性。另外它们还具有带ECC的2 MB闪存、带ECC 的1.5 MB SRAM以及用于雷达信号处理加速的信号处理工具箱 (SPT)。为保护存储器,S32R274为每个核心内存保护单元提供24个入口,另外还提供数据和指令总线系统内存保护单元和寄存器保护。

S32R274的安全功能包括用于先进安全管理的密码安全引擎、支持监控制度和生命周期管理的密码与设备安全模块以及防篡改日志功能。S32R274符合ISO 26262 SEooC汽车安全标准,安全级别最高达ASIL-D,另外还通过了AEC-Q100 Grade 1标准认证,是高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的理想解决方案。

 S32R274的配套评估板S32R274RRUEVB亦可从贸泽购买。该板提供各种接口,包括RS232/SCI、FlexRAY、LINFlexD、以太网接口和两个CAN接口。

有关详情,敬请访问www.mouser.com/nxp-s32r274-radar-mcu

贸泽电子拥有丰富的产品线与卓越的客服,通过提供采用先进技术的最新产品来满足设计工程师与采购人员的创新需求。我们库存有全球最广泛的最新半导体及电子元件,为客户的最新设计项目提供支持。Mouser网站Mouser.cn不仅有多种高级搜索工具可帮助用户快速了解产品库存情况,而且网站还在持续更新以不断优化用户体验。此外,Mouser网站还提供数据手册、供应商特定参考设计、应用笔记、技术设计信息和工程用工具等丰富的资料供用户参考。

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目前,在许多需要在本地进行数据分析的“永远在线”的物联网边缘设备中,神经网络正在变得越来越普及,主要是因为可以有效地同时减少数据传输导致的延时和功耗。 而谈到针对物联网边缘设备上的神经网络,我们自然会想到Arm Cortex-M系列处理器内核,那么如果您想要强化它的性能并且减少内存消耗,CMSIS-NN就是您最好的选择。基于CMSIS-NN内核的神经网络推理运算,对于运行时间/吞吐量将会有4.6X的提升,而对于能效将有4.9X的提升。

CMSIS-NN库包含两个部分: NNFunction和NNSupportFunctions。 NNFunction包含实现通常神经网络层类型的函数,比如卷积(convolution),深度可分离卷积(depthwise separable convolution),全连接(即内积inner-product), 池化(pooling)和激活(activation)这些函数被应用程序代码用来实现神经网络推理应用。 内核API也保持简单,因此可以轻松地重定向到任何机器学习框架。NNSupport函数包括不同的实用函数,如NNFunctions中使用的数据转换和激活功能表。 这些实用函数也可以被应用代码用来构造更复杂的NN模块,例如, 长期短时记忆(LSTM)或门控循环单元(GRU)。

对于某些内核(例如全连接和卷积),会使用到不同版本的内核函数。 我们提供了一个基本的版本,可以为任何图层参数“按原样”通用。 我们还部署了其他版本,包括进一步的优化技术,但会对输入进行转换或对层参数有一些限制。 理想情况下,可以使用简单的脚本来分析网络拓扑,并自动确定要使用的相应函数。

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我们在卷积神经网络(CNN)上测试了CMSIS-NN内核,在CIFAR-10数据集上进行训练,包括60,000个32x32彩色图像,分为10个输出类。 网络拓扑结构基于Caffe中提供的内置示例,具有三个卷积层和一个完全连接层。 下表显示了使用CMSIS-NN内核的层参数和详细运行时结果。 测试在运行频率为216 MHz的ARM Cortex-M7内核STMichelectronics NUCLEO-F746ZG mbed开发板上进行。

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整个图像分类每张图像大约需要99.1毫秒(相当于每秒10.1张图像)。 运行此网络的CPU的计算吞吐量约为每秒249 MOps。 预量化的网络在CIFAR-10测试集上达到了80.3%的精度。 在ARM Cortex-M7内核上运行的8位量化网络达到了79.9%的精度。 使用CMSIS-NN内核的最大内存占用空间为〜133 KB,其中使用局部im2col来实现卷积以节省内存,然后进行矩阵乘法。 没有使用局部im2col的内存占用将是〜332 KB,这样的话神经网络将无法在板上运行。

为了量化CMSIS-NN内核相对于现有解决方案的好处,我们还使用一维卷积函数(来自CMSIS-DSP的arm_conv),类似Caffe的pooling和ReLU来实现了一个基准版本。 对于CNN应用,下表总结了基准函数和CMSIS-NN内核的比较结果。 CMSIS-NN内核的运行时间/吞吐量比基准函数提高2.6至5.4倍。 能效提高也与吞吐量的提高相一致。

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高效的NN内核是充分发挥ARM Cortex-M CPU能力的关键。 CMSIS-NN提供了优化的函数来加速关键的NN层,如卷积,池化和激活。 此外,非常关键的是CMSIS-NN还有助于减少对于内存有限的微控制器而言至关重要的内存占用。 更多细节在我们的白皮书中您可以读到,您可以使用下面的按钮从康奈尔大学图书馆网站下载。

CMSIS-NN内核可在github.com/ARM-software/CMSIS_5上找到。 应用 代码可以直接使用这些内核来实现Arm Cortex-M CPU上的神经网络算法。 或者,这些内核可以被机器学习框架用作原语函数(primitives)来部署训练过的模型。

如需进一步资源,更详细的产品信息和教程,帮助您解决来自边缘ML的挑战,请访问我们的新机器学习开发者网站

本文转载自:Arm Community
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微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期,经过20多年的发展,其成本越来越低,而性能越来越强大,这使其应用已经无处不在,遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电(洗衣机、微波炉)等。

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微控制器的作用

在工业应用中,微控制器的作用是控制和协调整个设备的动作,通常需要程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)、定时与控制电路,以及脉冲源、中断等共同完成。

根据控制器在工作中发挥的作用来看,微控制器主要有以下几种:

1、 指令控制器
指令控制器是控制器中相当重要的部分,它要完成取指令、分析指令等操作,然后交给执行单元(ALU或FPU)来执行,同时还要形成下一条指令的地址。

2、 时序控制器
时序控制器的作用是为每条指令按时间顺序提供控制信号。时序控制器包括时钟发生器和倍频定义单元,其中时钟发生器由石英晶体振荡器发出非常稳定的脉冲信号,就是CPU的主频;而倍频定义单元则定义了CPU主频是存储器频率(总线频率)的几倍。

3、 总线控制器
总线控制器主要用于控制CPU的内外部总线,包括地址总线、数据总线、控制总线等等。

4、中断控制器2
中断控制器用于控制各种各样的中断请求,并根据优先级的高低对中断请求进行排队,逐个交给CPU处理 控制器的基本功能 设备控制器的基本功能

目前就为控制领域来看,主要有以下几种功能:

1、数据缓冲
缓冲器常常内置在控制器中,在输出时,缓冲器常用来暂存由主机高速传来的数据,然后才以I/O设备所具有的速率将缓冲器中的数据传送给I/O设备;在输入时,缓冲器则用于暂存从I/O设备送来的数据,待接收到一批数据后,再将缓冲器中的数据高速地传送给主机。

2、差错控制
设备控制器还兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。若发现传送中出现了错误,通常是将差错检测码置位,并向 CPU报告,于是CPU将本次传送来的数据作废,并重新进行一次传送。这样便可保证数据输入的正确性。

3、数据交换
这是指实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。对于前者,是通过数据总线,由CPU并行地把数据写入控制器,或从控制器中并行地读出数据;对于后者,是设备将数据输入到控制器,或从控制器传送给设备。为此,在控制器中须设置数据寄存器。

4、标识和报告设备的状态
控制器应记下设备的状态供CPU了解。例如,仅当该设备处于发送就绪状态时,CPU才能启动控制器从设备中读出数据。为此,在控制器中应设置一状态寄存器,用其中的每一位来反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读入后,便可了解该设备的状态。

5、接收和识别命令
CPU可以向控制器发送多种不同的命令,设备控制器应能接收并识别这些命令。为此,在控制器中应具有相应的控制寄存器,用来存放接收的命令和参数,并对所接收的命令进行译码。例如,磁盘控制器可以接收 CPU发来的Read、Write、Format等15条不同的命令,而且有些命令还带有参数;相应地,在磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器等。

6、地址识别
就像内存中的每一个单元都有一个地址一样,系统中的每一个设备也都有一个地址,而设备控制器又必须能够识别它所控制的每个设备的地址。此外,为使CPU能向(或从)寄存器中写入(或读出)数据,这些寄存器都应具有唯一的地址。例如,在IB-MPC机中规定,硬盘控制器中各寄存器的地址分别为320~32F之一。控制器应能正确识别这些地址,为此,在控制器中应配置地址译码器。

微处理器和微控制器的区别

这样的区别主要集中在硬件结构、应用领域和指令集特征3个方面:

1)硬件结构
微处理器是一个单芯片CPU,而微控制器则在一块集成电路芯片中集成了CPU和其他电路,构成了一个完整的微型计算机系统。图1-6虚线框中所示是大多数微控制器的完整结构。除了CPU,微控制器还包括RAM、ROM、一个串行接口、一个并行接口,计时器和中断调度电路。这些都集成在一块集成电路上。虽然片上RAM的容量比普通微型计算机系统还要小,但是这并未限制微控制器的使用。在后面可以了解到,微控制器的应用范围非常广泛。

微控制器的一个重要的特征是内建的中断系统。作为面向控制的设备,微控制器经常要实时响应外界的激励(中断)。微控制器必须执行快速上下文切换,挂起一个进程去执行另一个进程以响应一个“事件”。例如,打开微波炉的门就是一个事件,在基于微控制器的产品中这个事件将触发一个中断。微处理器也能拥有强大的中断功能,但是通常需要外部元件的配合,而微控制器在片上集成了所有处理中断必需的电路。

2)应用领域
微处理器通常作为微型计算机系统中的CPU使用。其设计正是针对这样的应用,这也是微处理器的优势所在。然而,微控制器通常用于面向控制的应用。其系统设计追求小型化,尽可能减少元器件数量。在过去,这些应用通常需要用数十个甚至数百个数字集成电路来实现。使用微控制器可以减少元器件的使用数量,只需一个微控制器、少量的外部元件和存储在ROM中的控制程序就能够实现同样的功能。微控制器适用于那些以极少的元件实现对输入/输出设备进行控制的场合,而微处理器适用于计算机系统中进行信息处理。

3)指令集特征
由于应用场合不同,微控制器和微处理器的指令集也有所不同。微处理器的指令集增强了处理功能,使其拥有强大的寻址模式和适于操作大规模数据的指令。微处理器的指令可以对半字节、字节、字,甚至双字进行操作。通过使用地址指针和地址偏移,微处理器提供了可以访问大批数据的寻址模式。自增和自减模式使得以字节、字或双字为单位访问数据变得非常容易。另外,微处理器还具有其他的特点,如用户程序中无法使用特权指 令等。

微控制器的指令集适用于输入/输出控制。许多输入/输出的接口是单/位的。例如,电磁铁控制着马达的开关,而电磁铁由一个1位的输出端口控制。微控制器具有设置和清除单位的指令,也能执行其他面向位的操作,如对“位”进行逻辑与、或和异或的运算,根据标志位跳转等。很少有微处理器具备这些强大的位操作能力,因为设计者在设计微处理器时,仅考虑以字节或更大的单位来操作数据。

在对设备的控制和监视方面(可能是通过一个1位的接口),微控制器具有专门的内部电路和指令用于输入/输出、计时和外部中断的优先权分配。微处理器一般需要配合附加的电路(串行接口芯片、中断控制器、定时器等)才能执行相同的任务。不过,单纯就处理能力而言,微控制器永远达不到微处理器的水平(在其他条件相同的情况下),因为微控制器芯片中的集成电路的很大一部分用于实现其他的片上功能,代价就是牺牲掉一部分处理能力。

由于微控制器芯片上的资源非常紧张,它的指令必须非常精简,大部分指令的长度都短于1个字节。控制程序的设计原则通常是要求程序能够装入片上的ROM,因为即使只增加1片外部ROM也将显着提高产品的硬件成本。微控制器指令集的基本特点就是具有精简的编码方案。微处理器不具备这样的特点,因为它们强大的寻址模式使得指令编码不够简洁。

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围观 34

在物联网(IoT)的推动下,业界对各种电池供电设备产生了巨大需求。这反过来又使业界对微控制器和其他系统级器件的能源效率要求不断提高。因此,超低功耗(ULP)已成为一个过度使用的营销术语,特别是用于描述微控制器时。作为理解ULP背后真正意义的第一步,应考虑其各种含义。在某些情况下,当电源严重受限时(例如能量收集),应用要求最低工作电流。或者,当系统大部分时间处于待机或睡眠模式,不常醒来(定期或异步)处理任务时,应用要求最低睡眠模式电流。此外,ULP也意味着能源效率,大多数工作是在有限时间内进行的。总体而言,电池供电设备基于一组权衡考虑,综合使用这些要求。

当然,ULP也是一个见仁见智并与功能相关的问题。例如,我们一般将工作模式电流在30 μA/MHz至40 μA/MHz范围、关断电流在50 nA到70 nA的微控制器单元(MCU)视为ULP。然而,能否将微控制器划归超低功耗类涉及到复杂的特性组合,包括架构、SoC设计、工艺技术、智能外设和深度睡眠模式。本文将考察ADI公司的两款微控制器,以帮助大家了解如何在此背景下解读超低功耗的真正意 义。我们还会讨论 EEMBC联盟的认证机制,它确保了得分的准确性,可帮助系统开发人员为其解决方案选择最合适的微控制器。

测量和优化超低功耗

作为了解ULP的出发点,我们首先解释如何测量它。开发人员通常会查看数据手册,在其中可以找到每MHz的电流值,以及不同睡眠模式下的电流值。第一个问题是,查看工作功耗时,数据手册通常不会解释获得该值的条件,例如代码、电压和闪存上的等待状态。有些供应商使用工作模式参考,例如EEMBC CoreMark,而有些供应商则使用像"while 1"语句一样简单的操作。如果闪存上有等待状态,则微控制器单元的性能会降低,增加执行时间,从而提高执行任务的能耗。有些供应商提供典型电压时的数值,有些提供最低电压时的数值,还有些供应商不指定任何电压。也许这些差异很微妙,但没有一个标准的话,比较只能是大致上的对比。

通常,深度睡眠模式在数据手册中有相当详细的解释,但同样,获得这些模式下的电流消耗的条件因供应商而异(例如保留的内存量或电压)。此外,在实际应用中,用户还必须考虑进入和退出这些模式所消耗的电能。这可能是一个微不足道的值,也可能事关重大,取决于器件是大部分时间处于睡眠模式还是频繁唤醒。这就引出了下一个问题——器件有多长时间处于睡眠状态?工作模式和睡眠模式之间的平衡对于确定ULP测量非常重要。为了简化该过程,EEMBC对其ULPMark-CoreProfile (ULPMark-CP)使用1秒钟时间;这是一项基准测试,许多微控制器厂商将其用作数据手册的标准。注意:使用1秒的决定被视为EEMBC工作组的共识。考虑到ULPMark-CoreProfile工作负载的工作时间,占空比将为98%左右。在该基准测试中,器件每秒唤醒一次,执行少量工作(工作周期),然后回到睡眠状态。

通常,在工作模式下,模拟电路会导致电流消耗存在偏移;因此,使工作电流最小并有效使用深度睡眠模式对优化整个系统的电能使用是有意义的。请注意,降低频率会降低工作电流,但时间会增加,前面提到的模拟电路造成的偏移在微控制器处于工作状态时保持不变。但是,微控制器不同选择的利弊是什么?应用的占空比和深度睡眠电流对消耗的电能有何影响?

每周期的电能是占空比D(以睡眠模式时间占总时间的百分比给出)的函数,可由一个简化的公式来定义,假设开启和关闭转换的电能很小。

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其中,斜率由ION定义,因为ISLEEP远小于ION,y轴截距就是ISLEEP。此 公式可以帮助理解占空比,其中工作电流比睡眠电流更重要。

“图1.
图1. ULPMark-CP的占空比为1秒。在此期间,器件从深度睡眠模式唤醒,执行固定的工作负载,然后返回深度睡眠模式。

超低功耗测试平台

如前所述,我们将比较ADI公司两款微控制器——ADuCM4050 和 ADuCM302x的超低功耗(电能)特性。在ULPMark节课表中, ADuCM4050和ADuCM302x的得分分别为203和245.5。请记住,该基准测试仅操作微控制器单元的核心(因此得名CoreProfile)。如何解释18%的差异?

ADuCM4050包含一个采用ARMv7E-M架构的ARM® Cortex®-M4F。ADuCM302x包含一个采用ARMv7-M架构的ARM Cortex-M3。虽然两个内核均有带分支推测的三级流水线,并且两者的指令集架构相似,但只有Cortex-M4F支持DSP和浮点指令。ULPMark-CoreProfile没有DSP指令,因此Cortex-M4F器件没能发挥FPU的优势。

对于基准分析,ADuCM4050和ADuCM302x分别工作在52 MHz和26MHz。ADuCM4050需要大约11,284个周期来执行ULPMark工作负载,ADuCM302x需要10,920个周期,这意味着前者在1秒周期的217μs内完成工作模式部分,而后者的工作时间为420 μs。ADuCM4050使用的周期数比ADuCM3029多的原因是所用频率不同(分别为52 MHz和26 MHz),ADuCM4050的闪存需要一个等待状态,而ADuCM3029的闪存上没有等待状态。ADuCM4050具有高速缓存,因此在闪存上增加等待状态不会有太大影响,因为许多指令是从高速缓存执行,可以全速(52 MHz)存取而无需额外的等待状态。关于执行时间,同预期一样,ADuCM4050执行工作负载的速度比ADuCM3029更快,因为其运行频率是ADuM3029的两倍。

若要获得EEMBC基准代码,您必须是成员或工作组。您可以访问这里。成为成员。Monica Redon是ADI公司在EEMBC委员会的代表, 您可以联系她了解更多信息。

表1. 在流行的ARM内核上完成ULP-Mark-CoreProfile工作负载所需的大致周期数。周期数是近似值,因为周期数还与编译器有关。

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但为什么ADuCM4050比ADuCM3029多消耗10 μA/MHz?这种增加背后的原因是,前者能以两倍于后者的频率工作,因而需要额外的缓冲器来实现对更高频率的时序约束。同ADuCM3029相比,ADuCM4050还有一些额外特性:

  • 存储器大小加倍(SRAM 和闪存均是如此):128 kB 和512 kB,而ADuCM3029 只有64 kB 和256 kB。根据应用需求,您可能需要额外的存储空间。
  • 频率加倍:52 MHz,而ADuCM3029 只有26 MHz,因此ADuCM4050性能更好。
  • 增加了RGB 定时器。
  • 增加了新的安全特性:带密钥包裹- 解包功能的保护密钥存储和带密钥解包功能的键控HMAC。
  • 增加了三个额外的SensorStrobe 输出。
  • 增加了全部SRAM 内容保留功能:ADuCM4050 最多可保留124kB,而ADuCM3029 最多只能保留32 kB。

“图2.
图2. ULPMark-CP结果前10名,位于EEMBC网站(2017年8月18日)。

根据应用需求(功耗优化、额外存储、工作性能、内容保留等),您可以决定使用ADuCM4050还是ADuCM302x产品。

关于深度睡眠模式,ADuCM4050在运行ULPMark-CoreProfile并保留比ADuCM3029多一倍的存储器内容时(前者为16 kB,而后者为8 kB),实现了更低的休眠功耗。这种改善的原因是较新的ADuCM4050产品采用增强型架构。

编译器的作用

如上所述,ULPMark包括两种操作状态:工作状态和低功耗状态(器件处于睡眠模式)。这些状态均纳入恰好为1秒的占空比中。在工作状态下,每个器件执行相同的工作负载。但正如我们所看到的那样,工作效率受架构的影响。此外,它也受编译器的影响。编译器可能会选择更改和优化语句,致使指令组合发生变化。

根据应用的需要,您可以针对尺寸和速度进行优化,以平衡尺寸和速度等因素。循环展开是一个简单的例子,执行的分支数与循环体内代码的比例会发生变化。编译器在寻找更好的计算结果方式上仍能起到重要作用,但所做的工作是等价的。例如,ADuCM3029的ULPMark-CP结果可能会因优化程度不同而异:针对速度高度优化时为245.5,中等优化时为232,低度优化时为209。Texas Instruments MSP430FR5969的ULPMark结果是说明编译器重要性的另一个例子。通过应用更新版本的IAR Embedded Workbench编译器,结果提高了5%——尽管不知道内部编译器做了什么改变来实现这一改进(www.eembc.org/ulpbench/)。同样,若不深入了解专有编译器技术,就无法知道为什么STMicroelectronics STM32L476RG从使用ARMCC编译器变为IAR编译器后,结果提高了16%。

ADI公司MCU的两个结果均是利用IAR编译器编译的代码生成的,但版本不同。ADuCM4050和ADuCM302x分别使用IAR EWARM7.60.1.11216和7.50.2.10505。同样不知道做了哪些内部改变。提交的两个得分使用了与优化速度对应的no_size_constraints选项。

将ULPMark转换为电能值

ULPMark-CoreProfile使用一个取电能值倒数的公式(10个周期,5个每秒平均电能值的中位数)。

“”

电能为器件执行工作负载(处于工作模式)时消耗的电能与器件处于休眠状态时消耗的电能之和。

“”

根据 ADuCM3029 数据手册,运行质数代码时,工作电流的典型值为980 μA。此代码装入缓存,以利用其功耗较低的优势。对于ULPMark-CoreProfile代码,由于它主要是线性代码,使能缓存没有什么太大好处,因此电流消耗与数据手册中针对禁用缓存所显示的电流消耗(1.28 mA)相似。关于休眠电流,ULPMark-CoreProfile要求使能LFXTAL和RTC,因此睡眠模式下的电流消耗为830 nA(根据数据手册)。如上所述,工作时间持续420 μs。

“”

根据数据手册数字和执行时间,工作电流的电能为1.61 μJ,睡眠期间消耗的电能为2.49 μJ。根据这些值得到的分数与EEMBCEnergyMonitor软件测得的分数相符。

“”

第一代ULPMark的缺点之一是运行规则将工作电压限制在3 V(工作组这样做的目的是为所有器件建立一个通用电平)。大多数现代MCU在更低电压下运行的能效要好得多(尽管这可能受温度和工作频率的影响)。例如,利用DC-DC转换器将电压从3 V降至1.8 V,STMicroelectronics STM32L476RG的ULPMark结果提高了19%。

“图3.
图3. ADuCM4050框图。其集成一个1.2 V低压差稳压器(LDO)和一个可选容性降压调节器。

公布的结果受DC-DC转换器使用的影响,STMicroelectronicsSTM32L476RG并非不是唯一这样的器件,但有些器件将转换器集成到器件本身,如ADuCM302x和ADuCM4050,不需要外部IC来提高器件的功耗性能。尽管如此,使用DC-DC转换器有助于创造公平竞争环境,因为它允许器件以最佳能效运行。例如,仅工作在3 V的器件不会从DC-DC转换器受益,因为它已经处于最优(或者可能是次优)的效率水平。另一方面,一个可以工作在1.8 V但没有利用DC-DC转换器的器件,则会浪费64%的供应电能。此外,对于优先考虑能效的系统设计人员而言,如果系统使用3 V电池,则外部DC-DC转换器的附加成本可能并不重要。必须小心使用DC-DC转换器,避免测量转换器而非MCU的能效。尽管如此,必须考虑到在实际应用中,DC-DC工作模式可能有一些缺点,例如工作模式和睡眠模式的相互转换时间会延长。

使用DC-DC转换器时,还需要考虑转换器的类型。一些转换器是基于电感的,可能会带来更大面积、更高成本以及电磁干扰(EMI)之类的问题。ADuCM4050和ADuCM302x器件使用基于电容的转换器,避免了这些问题。如需了解更多信息,请参阅用户指南 UG-1091"如何设置和使用ADuCM3027/ADuCM3029微控制器"。

分析ULPMark-CP结果或数据手册值时,重要的是要承认器件差异的存在。换句话说,测量器件的能效时,漏电流是一个重要因素,尤其是在睡眠模式下。虽然传统的性能基准一般不受影响,但温度和湿度等因素对器件的漏电流有一定程度的影响,进而会影响ULPMark-CP的结果。就制造而言,同一供应商在不同日期或从不同晶圆生产的器件会不相同。甚至同一器件的功耗也可能发生变化(根据测量的时间和地点,变化范围在5%到15%)。从根本上说,这意味着给出的ULPMark-CP得分应被用作能效指南。例如,一个器件的ULPMark结果为245,而来自不同晶圆的同款器件的得分可能在233到257之间(假设变化量为5%)。

认证机制—建立可信度

为了确保得分的真实性,愿意认证其器件的供应商将电路板和工具同平台特定的配置文件一起发送给EEMBC技术中心(ETC)。EEMBC将平台配置文件集成到其系统文件(包括工作负载)中,并在不同电路板上多次测量得分。认证的得分为所有测量的平均值。

通过这种方式,EEMBC确保所有得分的条件相同(相同工作负载、相同电能监测板、相似的温度等)。

图4显示了用于在 ADuCM3029 EZ-Kit上测量ULPMark-CP的连接设置。

“图4.
图4. 测量得分的电路板设置。

为了测量得分,EEMBC提供了EnergyMonitor软件。单击Run ULPBench(运行ULPBench)按钮后,EnergyMonitor硬件便向ADuCM3029 EZ-Kit板供电,并测量配置文件运行的能耗。执行结束时,软件计算得分并将其显示在屏幕上。软件还会在历史窗口中显示之前周期的平均能耗。

“图5.
图5. EnergyMonitor软件—GUI。

下一步—MCU效率分析

EEMBC的终极目标是提供多个基准测试套件,使用户能够全面评估MCU。除了关注MCU核心效率的ULP-Mark-CP之外,新发布的ULPMark-PeripheralProfile (ULPMark-PP)聚焦于操作各种MCU外设,如ADC、PWM、SPI和RTC。在ULPMark-PP中,由于器件在工作负载中执行多个外设事务,所以工作功耗和轻度睡眠功耗非常重要。ULPMark-PP的结果可从EEMBC网站获得;ULP-Mark-CP和ULPMark-PP组合可供EEMBC成员使用或授权使用。

接下来开发IoTMark-BLE和SecureMark套件。前者侧重于测量MCU和无线电通过蓝牙®发射和接收数据的效率;后者是一种复杂的安全套件,用于测量物联网器件实现各种加密机制的电能和性能开销。二者均会在2017年底提供给成员和被许可人使用。

基准测试如同汽车,需要人来运行。因此,我们鼓励大家敦促所有MCU供应商运行并发布器件结果。我们还需要更多供应商将ULPMark结果包括在其数据手册中(像Ambiq Micro、AnalogDevices、STMicroelectronics和TI等厂商所做的一样)。这会显著增加数据手册中规格特性的可信度和实际可比性。如果MCU供应商未公布这些认证结果,那么您就要问:"为什么不公布,你们在隐藏什么?"

参考电路

1最新得分参见 www.eembc.org/ulpbench/index.php

作者

Monica Redon于2010年加入ADI西班牙公司。目前,她担任消费电子检测与处理技术(CSPT)部门的系统工程师。此前,她曾担任物联网平台技术小组的应用主管。加入ADI公司之前,她在一家电力线路通信创业公司工作了5年,并在德国弗劳恩霍夫研究所的无线网络团队工作了5年。

本文转载自:亚德诺半导体
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瑞萨电子株式会社(TSE:6723)今日宣布,扩展其广受欢迎的RX65N/RX651微控制器(MCU)系列产品,以满足工业自动化、楼宇自动化和智能表计系统更高的安全需求。扩展的微控制器集成了Trusted Secure IP(TSIP),以及用于工业和网络控制系统的增强型可靠闪存功能和人机界面(HMI)。

瑞萨电子高端MCU事业部高级总监Tim Burgess表示:“工业控制系统开发人员在选用产品时,对安全性、可靠性和连接性的重视程度已与高性能和高质量相当。扩展的RX65N/RX651 MCU系列为工业系统制造商提供了工业系统运行所需的高可靠性、高能效和强化的连接性,同时为连接需求日益增强的环境中的边缘设备提供了更强的安全性和连接性。”

随着在工业物联网(IIoT)边缘运行的设备不断增多,系统制造商对网络连接安全性和可靠性的需求越来越高,包括安全的移动固件更新。扩展的 RX65N/RX651 系列产品可满足此类不断提高的安全性和可重复编程的需求,提供集成的TSIP、增强的闪存保护和其它先进技术,以创建一个优于市场同类解决方案,并通过加密算法验证程序 (CAVP) 认证的安全和稳定的集成解决方案。反过来, 这些安全技术的升级也可以通过安全的网络通信实现现场无缝闪存固件更新。

扩展的RX65N/RX651 MCU的主要特点

集成了Trusted Secure IP (TSIP)

具备增强型安全特性的新型MCU基于高性能RXv2核,采用了40纳米工艺,使CPU能达到4.55 Core Mark/MHz的高效率。通过将TSIP集成到新型MCU中,系统控制工程师可通过三项新功能实现设备操作的高可信等级:

  • 通过TSIP保护加密密钥

  • 将AES、3DES、SHA和TRNG等加密硬件加速器整合至TSIP中

  • 通过闪存区域保护功能保护启动代码

TSIP已通过CAVP认证,确保客户使用高安全级别的设备。

为IIoT提供优化的网络连接和HMI功能

瑞萨电子针对工业环境的连接性优化了新型RX65N/RX651 MCU。新的MCU提供网络连接和HMI支持,使其可以:

  • 从工厂内外监控机器的运行状态

  • 交换数据以更改生产指令

  • 重新编程MCU的内存以更新设备设置

设计工程师经常被要求将小型薄膜晶体管(TFT)显示器集成到他们的物联网边缘设备或系统控制应用中。用户可以使用这些显示屏通过先进且低成本的HMI解决方案监视机器的运行情况。RX65N/RX651具有嵌入式TFT控制器和集成的二维(2D)图形加速器,可提供先进的图形特性和高性能的应用程序,是显示控制的理想解决方案。在选择WQVGA显示尺寸时,可将640KB大容量的芯片上RAM用作显示帧缓冲器,从而节省外部RAM,实现成本优化的设计。

无缝的现场固件更新

与其它的物联网设备相比,工业应用专为长期运行而设计,其中涉及如现场的固件更新等独特且具挑战性的要求。新型RX65N/RX651 MCU具有支持BGO(后台操作)和SWAP功能的双组闪存,可帮助系统和网络控制制造商安全可靠地执行现场固件更新。

通过固件集成技术 (FIT) 实现嵌入式驱动程序和可移植性

FIT是一个整体的概念,强调RX65N/RX651 MCU之间的嵌入式外设功能模块驱动器和可移植性改进。该技术旨在减轻使用RX MCU系列的软件开发中的程序开发和资源管理负担。FIT为RX系列的外设驱动器和中间件提供了一个通用的应用程序接口,该接口基于可靠的板级支持包,控制如初始化MCU、时钟和电路板设置等功能的常用信息。FIT适用于所有的RX设备,并完整集成到开发环境中。

扩大RX生态系统,增加设计支持

瑞萨电子扩大了其强大的RX开发环境来帮助工程师快速启动开发工作。新款Envision套件提供了一个评估环境,使工程师可以轻松地对MCU性能进行基准测试,快速开发自己的软件。新型 RX65N瑞萨电子入门套件 (RSK) 包括带有 MCU、显示器、片上调试器的开发板、试用版瑞萨电子 C 编译器和集成开发环境 (IDE) , 使工程师能够在几分钟内完成评估和开发工作。

RX系列的用户,还可以使用生态系统合作伙伴提供的多种工具,例如用于显示方案设计的简单易用的GUI(图形用户界面)工具。

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扩展的RX65N /RX651 MCU、瑞萨电子 RX65N入门套件,以及Envision套件现已上市。

RX65N/RX651 MCU 扩展阵容产品规格表(最大规格)

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关于瑞萨电子株式会社

瑞萨电子株式会社(TSE:6723),为客户提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案,旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备安全可靠地改善人们的工作和生活方式。作为全球微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品的领导者,瑞萨电子为汽车、工业、家居(HE)、办公自动化(OA)、信息通信技术(ICT)等各种应用提供专业的技术支持、品质保证和综合的解决方案,期待与您携手共创无限未来。了解更多信息,敬请访问renesas.com。

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