Cortex-M0＋內(nèi)核Kinetis L系列的低功耗機(jī)制分析※

沈忱，王宜懷，李成金，胡宗棠

（1.蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘇州215006；2.蘇州大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院）

引 言

目前研究分析該系列微控制器低功耗機(jī)制資料較少，對(duì)開(kāi)發(fā)者而言其低功耗機(jī)制理解不夠可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)發(fā)低功耗應(yīng)用難度較高。鑒于此，本文以KL25微控制器為硬件平臺(tái)，對(duì)比分析業(yè)界幾款典型低功耗微控制器低功耗技術(shù)，總結(jié)了功耗參數(shù)及性能；充分分析了影響功耗的因素并給出這些功耗模型的優(yōu)化方法以闡述其低功耗機(jī)理；研究了KL25不同等級(jí)功耗模式和時(shí)鐘模塊MCG 之間軟件可配關(guān)系，并應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的KL25微控制器最小板載系統(tǒng)SD-FSL-KL25-EVB 平臺(tái)上，實(shí)際測(cè)試評(píng)估了KL25微控制器運(yùn)行性能。該分析研究對(duì)嵌入式低功耗應(yīng)用產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有著較大的實(shí)用價(jià)值。

1 功耗因素模型研究與分析

1.1 硬件功耗模型

目前，基于CMOS主流制程工藝，從硬件角度，其功耗主要分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗，并隨著工藝尺寸變小，晶體管靜態(tài)功耗成為影響低功耗設(shè)計(jì)的主要因素。

動(dòng)態(tài)功率消耗發(fā)生在邏輯門(mén)狀態(tài)切換時(shí)刻，與門(mén)極相關(guān)的晶體管內(nèi)部電容C 被充電，其功耗大小依賴(lài)時(shí)鐘頻率f，信號(hào)翻轉(zhuǎn)概率N，芯片核心電壓V；靜態(tài)功率消耗是指邏輯門(mén)不活動(dòng)時(shí)晶體管開(kāi)關(guān)引起的亞閾值漏電和氧化柵柵極漏電，大小與芯片核心電壓V、晶體管開(kāi)關(guān)閾值（Vt）、工作溫度T 有關(guān)。其硬件功耗模型：

其中Ileak＝exp（-qVt／KT），Pdynamic表示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)功耗；Pstatic表示系統(tǒng)靜態(tài)功耗。由式（1）可以看出，動(dòng)態(tài)功耗與電壓二次方成正比，與頻率成線性關(guān)系；靜態(tài)功耗與溫度、晶體管開(kāi)關(guān)閾值成指數(shù)關(guān)系。所以，低功耗優(yōu)化可從兩方面著手。

在優(yōu)化動(dòng)態(tài)功耗方面，如降低時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)以減少電路活動(dòng)次數(shù)；縮小門(mén)極驅(qū)動(dòng)的過(guò)驅(qū)線圈大小，減少驅(qū)動(dòng)電容值（如低k電介質(zhì)材料或低阻抗／電容銅軌技術(shù)）；利用多重電壓區(qū)域，平衡邏輯門(mén)功耗與門(mén)極開(kāi)關(guān)速度等。

在優(yōu)化靜態(tài)功耗方面，如在關(guān)鍵時(shí)序路徑上使用低開(kāi)關(guān)閾值（Vt）的晶體管，而在非關(guān)鍵路徑使用高開(kāi)關(guān)閾值（Vt）的晶體管的多閾值CMOS技術(shù)；剝離持續(xù)供電和可關(guān)斷供電的片上門(mén)控電源（Power Gating，PG）技術(shù)以及更加特殊的狀態(tài)保持門(mén)控電源（State Retention PG）技術(shù)，都能降低芯片漏電流和靜態(tài)功耗。

1.2 軟件功耗模型

對(duì)嵌入式低功耗的設(shè)計(jì)，不僅可以從硬件部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可通過(guò)軟件優(yōu)化來(lái)降低系統(tǒng)功耗。由于不同架構(gòu)支持的指令集不同，所以軟件優(yōu)化方法適用性受限，但作用仍不可小覷，其軟件功耗模型［1］：

其中E表示執(zhí)行程序所耗總能量；I表示某條指令；N1表示該指令執(zhí)行次數(shù)；i表示遍歷程序中所有指令；O 表示某兩條指令間的附加能量值；N2表示該兩條指令出現(xiàn)的次數(shù)；j、k表示遍歷所有相鄰的兩條指令；E0表示造成流水線停頓、訪問(wèn)Cache不命中等附加能量；o表示遍歷所有這種附加能量。

從式（2）中可以得出，為降低系統(tǒng)功耗，可以從低功耗編譯指令、指令低功耗調(diào)度和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)等方面著手。對(duì)于某微控制器，每條指令都有一定功耗，每個(gè)操作都會(huì)激活微控制器中某些硬件部件，其中存儲(chǔ)功耗約占整個(gè)芯片功耗的30%～60%，所以采用高效的超長(zhǎng)指令（VLIW）、代碼融合（Code Morphing）技術(shù)、合適的編譯方法，能夠減少存儲(chǔ)系統(tǒng)訪問(wèn)頻率；通過(guò)合理選擇狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的編碼方法（如Gray碼），可以減少狀態(tài)切換時(shí)電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，降低程序執(zhí)行功耗。

2 低功耗機(jī)制研究與分析

2.1 幾款低功耗MCU分析

本文選取4款價(jià)格區(qū)間近似的低功耗微控制器：Microchip PIC24F系列、TI MSP430F系列、STM L1系列和Freescale KL系列。目前，在低功耗前沿技術(shù)領(lǐng)域，Microchip采用nanoWatt XLPTM （nanoWatt XLP eXtreme Low Power Technology）超低功耗技術(shù)［2］；TI采用130nm超低漏電（ULL）工藝技術(shù)，整合Ramtron F-RAM 低能量存儲(chǔ)器技術(shù)［3］；ST 采用130nm 專(zhuān)用低漏電流工藝以及優(yōu)化的節(jié)能架構(gòu)；Freescale采用90nm SG-TFS（Split Gate Thin Film Storage）工藝技術(shù)［4］各微控制器性能參數(shù)如表1所列。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，各款MCU 在低功耗技術(shù)領(lǐng)域都有獨(dú)特技術(shù)專(zhuān)利，從功耗和性能角度，KL25系列Core-Mark／Core相較更有優(yōu)勢(shì)，其工作主頻高而運(yùn)行功耗低，能效比最大。

表1 微控制器性能參數(shù)

2.2 KL系列MCU低功耗機(jī)制研究分析

基于ARM Cortex-M0＋內(nèi)核32位KL低功耗設(shè)計(jì)，從表1數(shù)據(jù)，運(yùn)行功耗比、EEMBC標(biāo)準(zhǔn)CoreMark測(cè)試數(shù)據(jù)，都體現(xiàn)了低功耗策略。為了進(jìn)一步剖析KL低功耗機(jī)制，本節(jié)將從硬件功耗模型和軟件功耗模型角度出發(fā)，同時(shí)考慮到KL微控制器是面向取代8位市場(chǎng)領(lǐng)域，以Freescale S08系列的一款高性能低功耗8位微控制器MC9S08GB60為例進(jìn)行分析，以全面闡述KL低功耗機(jī)制。

2.2.1 優(yōu)化硬件功耗因子

（1）低功耗制程工藝

ARM 和Freescale公司都提供了先進(jìn)的低功耗技術(shù)以?xún)?yōu)化式（1）中的功耗Pdynamic和Pstatic。

基于Cortex-M0＋內(nèi)核芯片的設(shè)計(jì)，ARM 提供標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)，設(shè)計(jì)人員可以選擇不同的標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)類(lèi)型，并針對(duì)速度、功耗和面積優(yōu)化其設(shè)計(jì)。其中電源管理工具包（Power Management Kit，PMK）是一種精密電源管理技術(shù)，包括電源門(mén)控、保持寄存器、隔離單元、電平轉(zhuǎn)換、不關(guān)機(jī)緩沖器和反偏壓?jiǎn)卧?，提供?duì)動(dòng)態(tài)耗電和靜態(tài)／泄露耗電的主動(dòng)控制。依賴(lài)于PMK 技術(shù)，采用低功耗架構(gòu)的通用I／O，可軟件編程實(shí)現(xiàn)多種輸入類(lèi)型、壓擺率、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、上拉／下拉／開(kāi)漏，電源管理功能還支持內(nèi)核至I／O 電壓范圍更大的內(nèi)置電平轉(zhuǎn)換器，并能在內(nèi)核電源環(huán)斷電時(shí)保持狀態(tài)。

Cortex-M0＋內(nèi)核只是微控制器一部分，若要實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制器的低功耗設(shè)計(jì)，采用支持低功耗特性的外設(shè)模塊組件是實(shí)現(xiàn)微控制器整體低功耗不可或缺的條件，尤其是存儲(chǔ)系統(tǒng)功耗。

Freescale是開(kāi)發(fā)和優(yōu)化了諸多工藝技術(shù)以降低功耗，詳細(xì)描述及技術(shù)參數(shù)略——編者注。

相比基于增強(qiáng)型S08的內(nèi)核GB60，基于Cortex-M0＋KL25微控制器在最低工作電壓、Flash電壓上都有很大程度優(yōu)化；系統(tǒng)工作在最佳性能時(shí)，工作電流接近而KL25主頻是GB60的三倍；WAIT 模式靜態(tài)漏電流降低1／4。

（2）靈活電源模式和時(shí)鐘模式

KL25在Cortex-M0＋內(nèi)核低功耗模式Sleep、Deep Sleep基礎(chǔ)上，擴(kuò)展8種低功耗模式，集成新特性低漏喚醒單元（LLWU），專(zhuān)用于在超低功耗低漏模式下的喚醒操作。而GB60 功耗模式僅為STOP3、STOP2、STOP1。表2總結(jié)了KL25在內(nèi)核不同狀態(tài)下的功耗模式。

表2 KL25 8種功耗模式

VLPR模式限制CPU 頻率在2MHz內(nèi)，內(nèi)部穩(wěn)壓器處于待機(jī)模式，同時(shí)還保持外設(shè)和低電壓檢測(cè)（LVD）正常工作；VLPW 模式下CPU 暫停，F(xiàn)lash、FlexMemory編程不可用，外部中斷事件能夠喚醒MCU，執(zhí)行預(yù)定任務(wù)后恢復(fù)低功耗狀態(tài)，最大限度減少運(yùn)行狀態(tài)和低功耗狀態(tài)之間頻繁切換；STOP模式MCU 處于靜態(tài)，保留所有寄存器并同時(shí)保持LVD工作；VLPS進(jìn)一步關(guān)閉LVD；LLS低漏停止模式降低內(nèi)在邏輯的電壓，最大限度減少未使用的內(nèi)部電路的漏電；VLLSx極低漏停止模式則更進(jìn)一步切斷內(nèi)在邏輯，選擇性切斷RAM 內(nèi)存，從而減少未使用電路的漏電。

KL系列中一個(gè)關(guān)鍵功率組件就是低漏電喚醒單元（LLWU），它在所有低漏電停止模式中充當(dāng)喚醒監(jiān)控器。在LLS／VLLSx模式下，提供如低功耗定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC，模擬比較器，觸摸感應(yīng)接口（TSI）和幾個(gè)引腳中斷作為喚醒源，使能喚醒輸入，MCU 處于LLS／VLLSx模式它就會(huì)啟動(dòng)。

對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，KL25片上集成靈活可配的時(shí)鐘系統(tǒng)和門(mén)控時(shí)鐘技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可軟件配置時(shí)鐘模式，選擇不同時(shí)鐘源和時(shí)鐘頻率。整個(gè)片上時(shí)鐘系統(tǒng)來(lái)源分為：MCG、OSC、RTC、PMC四個(gè)模塊，從功耗模式角度，這4個(gè)時(shí)鐘源在0～3 功耗等級(jí)模式下都可以全功能輸出，但在STOP以及功耗更低模式下，只有部分時(shí)鐘模塊工作；從時(shí)鐘模式角度，片上時(shí)鐘系統(tǒng)可分成8種：FEI、FEE、FBI、BLPI、FBE、BLPE、PBE、PEE，每種時(shí)鐘模式的差異在于時(shí)鐘源與時(shí)鐘頻率，共性都是為片上系統(tǒng)提供內(nèi)核時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘、總線時(shí)鐘、Flash時(shí)鐘等。

在4大時(shí)鐘系統(tǒng)來(lái)源中，MCG 模塊是最重要的時(shí)鐘參考系統(tǒng)，可工作在0～5功耗等級(jí)模式下。內(nèi)部固化的4 MHz／32kHz時(shí)鐘；內(nèi)部集成鎖頻環(huán)FLL、鎖相環(huán)PLL。FLL輸出頻率在20～48 MHz之間，PLL 輸出頻率在48～100 MHz之間。MCG 模塊支持輸出以上8 種時(shí)鐘模式，尤其在系統(tǒng)時(shí)鐘精度、功耗、性能要求不高的應(yīng)用中，直接使用內(nèi)部固化時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片工作，減少外圍時(shí)鐘電路。OSC模塊提供了一個(gè)外部時(shí)鐘源輸入接口電路，其輸出OSCERCLK 時(shí)鐘可工作在0～9 全功耗等級(jí)模式下。RTC模塊可在0～9全功耗等級(jí)模式下輸出1 Hz時(shí)鐘頻率，可以為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)定時(shí)，尤其應(yīng)用在定時(shí)喚醒系統(tǒng)中；PMC模塊提供1kHz LPO 時(shí)鐘，也可工作在0～9全功耗等級(jí)模式下。

（3）低功耗中斷機(jī)制

為減少門(mén)數(shù)和提高系統(tǒng)靈活性，Cortex-M 處理器采用基于堆棧的異常模型。從中斷處理機(jī)制角度，一旦發(fā)生異常，Cortex-M 處理器實(shí)現(xiàn)硬件入棧關(guān)鍵的通用寄存器，支持中斷咬尾、晚到異常機(jī)制和自動(dòng)執(zhí)行多重?cái)?shù)據(jù)傳送指令。在許多其他架構(gòu)中，這些任務(wù)必須在軟件的中斷處理程序中執(zhí)行，從而引入延遲并帶來(lái)復(fù)雜性。

基于門(mén)控狀態(tài)保留技術(shù)SRPG（State Retention Power Gating）、喚醒中斷控制器WIC（Wakeup Interrupt Controller）可在內(nèi)核處于Deep Sleep模式，NVIC 停止工作、無(wú)片上時(shí)鐘系統(tǒng)甚至控制器處于掉電狀態(tài)下都能夠快速檢測(cè)中斷信號(hào)并喚醒MCU，從而實(shí)現(xiàn)更低的靜態(tài)功耗。

2.2.2 優(yōu)化軟件功耗因子

（1）高能效內(nèi)核指令集

對(duì)于性能至上的嵌入式產(chǎn)品，更少的指令數(shù)通常意味著更高的性能。相較于傳統(tǒng)8／16 位指令集，ARM Cortex-M0＋采用Thumb 指令集，CoreMark／mA 將近8／16位MCU 的2倍，同時(shí)支持Thumb-2技術(shù)的特性解決了Thumb指令不支持一些特殊功能如SIMD，也不能訪問(wèn)協(xié)處理器和使用特權(quán)指令的缺陷。在代碼密度和性能方面也得到改善，用更低的處理器主頻完成相同功能，進(jìn)而降低系統(tǒng)整體功耗。

表3給出了不同架構(gòu)指令集實(shí)現(xiàn)一個(gè)16位乘法的匯編程序?？梢钥闯觯珻ortex-M指令集是一種高效單周期指令集。

表3 各處理器體系結(jié)構(gòu)16位乘法運(yùn)算比較

（2）減少訪問(wèn)存儲(chǔ)器頻率

基于Load-Store架構(gòu)，ARM Cortex-M0＋采用二級(jí)流水線設(shè)計(jì)以減少每指令所耗平均周期（CPI），比高級(jí)流水線設(shè)計(jì)的內(nèi)核更易簡(jiǎn)化架構(gòu)復(fù)雜度，在開(kāi)發(fā)難度上也更接近8／16位。KL 系列內(nèi)含64字節(jié)Cache，從外部總線來(lái)看，雖然整體架構(gòu)屬于馮諾依曼結(jié)構(gòu)，實(shí)際已經(jīng)算是改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，整體性能得到提高，同時(shí)處理器陰影分支（Branch Shadow）也可被降低，進(jìn)而減少訪問(wèn)存儲(chǔ)器頻率。如圖1所示。

圖1 Branch Shadow 示意圖

（3）IDE支持低功耗解決方案

KL系列低功耗策略，不僅體現(xiàn)于MCU 自身，同時(shí)支持它的開(kāi)發(fā)工具和設(shè)計(jì)資源也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第三方工具如IAR系統(tǒng)嵌入式工作平臺(tái)IDE（IAR System Embedded Workbench IDE）集成電源調(diào)試和分析工具，能提供將程序執(zhí)行的關(guān)鍵事件與功耗術(shù)語(yǔ)相映射的功能，進(jìn)而修改源代碼滿(mǎn)足功率曲線的要求。

3 KL25低功耗應(yīng)用與評(píng)估

針對(duì)KL25微控制器低功耗特性的評(píng)估與驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)將KL25應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中作為主控節(jié)點(diǎn)，采集來(lái)自PH 值傳感器、溶氧傳感器、光照傳感器、溫度傳感器數(shù)據(jù)，配合無(wú)線收發(fā)器MC13192實(shí)現(xiàn)無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。

整個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作在戶(hù)外且使用兩節(jié)AA 電池3.0V 供電，分別采用GB60微控制器（內(nèi)集成10位精度A／D模塊與16位TPM 定時(shí)器），KL25微控制器（內(nèi)集成16位精度A／D模塊與16位低功耗定時(shí)器LPTMR），實(shí)測(cè)電流數(shù)據(jù)如表4所列。

表4 GB60與KL25應(yīng)用測(cè)試功耗數(shù)據(jù)

其中，GB60待機(jī)模式處于STOP3，A／D模塊不工作，SRAM 狀態(tài)保持；KL25待機(jī)模式處于LLS，A／D 模塊不工作，SRAM 狀態(tài)保持。GB60運(yùn)行模式處于RUN，Core＠16 MHz，fbus＠8 MHz；KL25 運(yùn)行模式處于RUN，PEE，Core＠48 MHz，fbus＠24 MHz。

從整個(gè)測(cè)試分析結(jié)果來(lái)看，KL25工作性能明顯高于GB60，最佳性能運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)功耗小于GB60，而在處理主頻上卻是3倍。在3.0V 電池供電下，每5s采集一次外部傳感器數(shù)據(jù)，其余時(shí)間微控制器處于待機(jī)模式，基于GB60主控節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長(zhǎng)約14天，而基于KL25主控節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長(zhǎng)約為20天。當(dāng)然采集頻率降低，工作時(shí)間也就越長(zhǎng)。

結(jié) 語(yǔ)

本文從軟硬件功耗模型角度分析了微控制器實(shí)現(xiàn)低功耗技術(shù)要點(diǎn)，總結(jié)出多種優(yōu)化軟硬件功耗因子方法，如采用先進(jìn)工藝制程，高效指令集以及降低數(shù)據(jù)移動(dòng)量的存儲(chǔ)訪問(wèn)機(jī)制等。重點(diǎn)分析了基于ARM Cortex-M0＋超低功耗內(nèi)核KL系列微控制器的低功耗機(jī)制，闡述在不同功耗等級(jí)模式下軟件可配時(shí)鐘模式關(guān)系以及低功耗中斷策略。最后，通過(guò)實(shí)例比較分析給出了KL25微控制器在低功耗應(yīng)用中的性能參數(shù)，該研究給初學(xué)者快速了解、開(kāi)發(fā)Kinetis L系列提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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