最小化ARM Cortex-M CPU功耗的方法与技巧

　　举个例子，即使在广受欢迎的ARMCortex-M类的MCU中指令缓冲的运行方法也有不同。采用简单指令缓冲的MCU，例如来自Silicon Labs的EFM32产品，可以存储128x32(512 bytes)的目前大多数当前执行指令(通过逻辑判断请求的指令地址是否在缓冲中)。EFM32参考手册指出典型应用在这个缓冲中将有超过70%的命中率，这意味着极少的Flash存取、更快的代码执行速度和更低的整体功耗。相比之下，采用64x128位分支缓冲器的ARMMCU能够存储最初的几条指令(取决于16位或32位指令混合，每个分支最多为8条指令，最少为4条指令)。因此，分支缓冲实现能够在1个时钟周期内为命中缓冲的任何分支或跳转填充流水线，从而消除了任何CPU时钟周期延迟或浪费。两种缓冲技术与同类型没有缓冲特性的CPU相比，都提供了相当大的性能改善和功耗减少。

　　4 M0+内核探究

　　对功耗敏感型应用来说每个nano-watt都很重要，Cortex-M0+内核是一个极好的选择。M0+基于Von-Neumann架构(而Cortex-M3和Cortex-M4内核是Harvard结构)，这意味着它具有更少的门电路数量实现更低的整体功耗，并且仅仅损失极小的性能(Cortex-M0+的0.93DMIPS/MHz对比Cortex-M3/M4的1.25DMIPS/MHz)。它也使用Thumb-2指令集的更小子集(如图3所示)。几乎所有的指令都有16位的操作码(52x16位操作码和7x32位操作码;数据操作都是32位的)，这使得它可以实现一些令人感兴趣的功能选项以降低CPU功耗。

　　图3 Cortex-M0+指令表

　　节能性功能选项首要措施就是减少Flash存储访问次数。一个主要的16位指令集意味着你可以交替时钟周期访问Flash存储器(如图4所示)，并且可以在每一次Flash存储访问中为流水线获取两条指令。假设你在存储器中有两条指令并对齐成一个32位字;在指令没有对齐的情况下，Cortex-M0+将禁止剩余的一半总线以节省每一点能耗。

　　图4 基于Cortex-M0+的交替时钟周期flash存储访问

　　此外，Cortex-M0+内核也可以通过减少到两级流水线而降低功耗。在通常的流水线处理器中，下一条指令在CPU执行当前指令时被取出。如果程序产生分支，并且不能使用下一条取出的指令，那么被用于取指(分支影子缓冲器)的功耗就被浪费了。在两级流水线中，这个分支影子缓冲器缩小了，因此能耗得以节省(虽然仅有少量)，这也意味着在发生流水线刷新时，仅需要不到一个时钟周期就能重新填充流水线(如图5所示)。

　　图5 流水线和分支影子缓冲

　　图6 Cortex-M既有的低功耗模式

　　5利用GPIO端口节能

　　Cortex-M0+内核提供节能特性的另一个地方是它的高速GPIO端口。在Cortex-M3和Cortex-M4内核中，反转一位或GPIO端口的过程是“读-修改-写”一个32位寄存器。虽然Cortex-M0+也可以使用这个方法，但是它有一个专用的32位宽I/O端口，可以采用单时钟周期访问GPIO，使得它能够高效的反位/引脚反转。注意：在Cortex-M0+上，这是一个可选的特性，并不是所有供应商都具备了这个有用的GPIO特性。

　　6 CPU的休眠模式

　　减少CPU功耗的最有效方法之一是关闭CPU自身。在Cortex-M架构中有多种不同的休眠模式，每一种都在功耗和再次执行代码的启动时间之间进行了折中考虑(如图6所示)。它也能够让CPU在完成中断服务后自动进入某个休眠模式，而不需要执行任何代码去完成这个工作。这种方法可以为那些常见于超低功耗应用中的任务节省CPU时钟周期。

　　在深度睡眠模式下，也可以使用唤醒中断控制器(WIC)来减轻NVIC负担。在使用WIC时，为实现低功耗模式下外部中断唤醒CPU，无需为NVIC提供时钟。

　　7自主型外设可减轻CPU负荷

　　自主型片上外设具有降低功耗的优点。大多数MCU供应商已经在本身产品架构中实现了外设之间的自主型交互，例如Silicon Labs的EFM32 MCU使用的外设反射系统(PRS)。自主型外设能够实现十分复杂的外设动作链(触发而不是资料传输)，同时保持CPU处于休眠状态。例如使用EFM32 MCU上的PRS功能，应用能够被配置为在CPU休眠的低功耗模式下，当片上比较器检测电压值超过了其预设的门限值，则触发一个定时器去开始减数。当定时器到达0时，触发DAC去开始输出—所有事件发生过程中CPU可以一直保持休眠状态。

　　自动进行如此复杂的交互，这使得外设之间能够完成大量工作而无需CPU参与。此外，带有内建智能的外设(例如传感器接口或脉冲计数器)能够通过预设的条件用于中断唤醒CPU，例如在累积10个脉冲时中断唤醒CPU.在这个例子中，当CPU被特定中断唤醒时，它明确知道需要做什么，而不需要检查计数器或寄存器以判别发生了什么，因此可以节省相当多的时钟周期，更好的完成其他重要任务。

　　我们已经介绍了多种易于实现的减轻Cortex-M设备上CPU功耗的方法。当然，还有其他因素影响功耗，例如用于加工设备的处理工艺或者用于存储应用代码的存储器技术。工艺和存储技术能够显著影响运行时功耗和低功耗模式下的漏电，因此也应当纳入嵌入式开发人员的整体功耗设计考虑之中。