Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis L系列的低功耗機(jī)制初探

韓培榮

（蘇州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

基于ARM Cortex-M0+處理器的Kinetis L系列微控設(shè)備在基于ARM的嵌入式處理器領(lǐng)域具有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品制造過程中所使用的低漏電技術(shù)和90 nm薄膜存儲(chǔ)工藝技術(shù)可以讓能效設(shè)計(jì)擺脫8位MCU及16位MCU的限制。與之相關(guān)的低能耗機(jī)制分析，可以為相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)提供一定的技術(shù)支持。

1 功耗因素模型的研究分析

1.1 硬件功耗模型分析

從CMOS主流制程工藝的現(xiàn)狀來(lái)看，其在硬件領(lǐng)域的功耗主要可以分為動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗兩種形式。在工藝尺寸不斷縮小的情況下，低功耗設(shè)計(jì)的主要影響因素為晶體管的靜態(tài)功耗。一般而言，動(dòng)態(tài)功率消耗主要產(chǎn)生于邏輯門狀態(tài)的切換階段。與門級(jí)相關(guān)的晶體管的內(nèi)部電容充電以后的功耗大小與時(shí)鐘頻率和信號(hào)翻轉(zhuǎn)頻率等因素之間存在著較為密切的聯(lián)系。為優(yōu)化硬件的動(dòng)態(tài)功耗，人們可以采用降低時(shí)鐘頻率的方式控制功耗，時(shí)鐘門控技術(shù)的應(yīng)用，可以在控制電路活動(dòng)次數(shù)的基礎(chǔ)上，發(fā)揮出優(yōu)化動(dòng)態(tài)功耗的作用。

在靜態(tài)功耗的優(yōu)化過程中，人們可以將低開關(guān)閾值晶體管應(yīng)用于關(guān)鍵時(shí)序路徑之中，高開關(guān)閾值的晶體管的多閾值技術(shù)可以在一些非關(guān)鍵路徑中得到應(yīng)用。門控電源技術(shù)的應(yīng)用，也可以發(fā)揮出降低芯片漏電流和靜態(tài)功效的作用。

1.2 軟件功耗模型分析

軟件優(yōu)化也是降低系統(tǒng)功耗的有效方式。受不同架構(gòu)所支持的指令集的差異性的影響，軟件功耗因子優(yōu)化方式在實(shí)際應(yīng)用過程中存在著適用性受限的問題。對(duì)于微型控制設(shè)備而言，任何一種指令都具有著一定的功耗，指令執(zhí)行階段的每一種操作都可以起到激活控制器中某系硬件部件的作用。除了高效化的超長(zhǎng)指令以外，代碼融合技術(shù)和合適的編譯方法的應(yīng)用，也可以發(fā)揮出減少存儲(chǔ)系統(tǒng)訪問頻率的作用。狀

態(tài)機(jī)狀態(tài)的便拿方法的合理運(yùn)用，也可以在減少電路在狀態(tài)切換時(shí)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)的方式，降低程序軟件的執(zhí)行功耗。

2 低功耗機(jī)制分析

基于Cortex-M0+內(nèi)核處理器的微控制器在家用電器、便攜式醫(yī)療系統(tǒng)、智能電表系統(tǒng)和照明系統(tǒng)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。以Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis L系列微處理器為例，這一設(shè)備制造過程中所應(yīng)用的低漏電技術(shù)和90 nm薄膜存儲(chǔ)工藝技術(shù)可以讓微處理器的能效設(shè)計(jì)擺脫8位或16位MCU的限制。從ARM Cortex-M0+技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀看，ARM Cortex-M0+處理具有著將上一代ARM Cortex-M0技術(shù)升級(jí)為真正的8位替代產(chǎn)品的能力，單周期訪問I/O和關(guān)鍵外設(shè)的能力、優(yōu)化程序內(nèi)存訪問的能力和為微跟蹤緩沖器提供低成本跟蹤解決方案的能力是新一代ARM Cortex-M0+處理器所具有的主要能力。從相關(guān)微控制器的性能參數(shù)來(lái)看，這一設(shè)備在運(yùn)行功耗比、EEMBC標(biāo)準(zhǔn)和CoreMark數(shù)據(jù)等多個(gè)方面均表現(xiàn)出了低功耗策略。

2.1 硬件功耗因子的優(yōu)化

對(duì)于Cortex-M0+內(nèi)核處理器而言，與之相關(guān)的硬件功耗因子與低功耗制程工藝、靈活電源模式和時(shí)鐘模式之間存在著較為密切的聯(lián)系。與Cortex-M0+內(nèi)核芯片有關(guān)的電源管理工具包含了電源門控、保持寄存器、隔離單元和電平轉(zhuǎn)換設(shè)備等多種設(shè)備。PMK技術(shù)與基于低功耗架構(gòu)的通用I/O的應(yīng)用，可以讓軟件編程具有實(shí)現(xiàn)多種輸入類型的能力。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制器的低功耗設(shè)計(jì)，相關(guān)人員也需要對(duì)地池低功耗特性的外設(shè)模塊組件的作用進(jìn)行充分關(guān)注。

在靈活電源模式和時(shí)鐘模式方面，Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis L系列可以在Sleep模式、Deep模式的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展8種低功耗模式，比如RUN模式、WLPR模式、WAIT模式和VLPW模式。在數(shù)字系統(tǒng)領(lǐng)域，時(shí)鐘系統(tǒng)發(fā)揮著整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)的作用。Kinetis L系列中所應(yīng)用的時(shí)鐘系統(tǒng)或門控時(shí)鐘系統(tǒng)具有著靈活可配的特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，人們可以通過軟件配置時(shí)鐘模式的應(yīng)用，對(duì)不同的時(shí)鐘源和時(shí)鐘頻率進(jìn)行選擇。

2.2 軟件功耗因子的優(yōu)化

本文中所論述的Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis L系列微控設(shè)備為飛思卡爾推出的K125型設(shè)備。這一設(shè)備中所使用的Cortex-M0+為ARM Cortex-M3/M4指令集的主要組成部分。它與Cortex-M0之間具有著較為良好的兼容性。Kinetis L系列與Kinetis K系列之間也具有著支持特性相同的特點(diǎn)。在入門及應(yīng)用升級(jí)至Kinetis 32位以后，人們需要借助具有緊密集成特點(diǎn)的支持資源，對(duì)新的系統(tǒng)資源進(jìn)行應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的8位指令集或16位指令集，與Kinetis 32位有關(guān)的Thumb指令集可以借助Thumb-2技術(shù)的特性，解決Thumb指令不支持以SIMD功能為代表的特殊功能的問題。在代碼密度和性能方面，Kinetis L系列微控設(shè)備可以借助根底的處理器主頻降低系統(tǒng)的整體功耗。二級(jí)流水線設(shè)計(jì)體系的建構(gòu)，可以在發(fā)揮出減少存儲(chǔ)器訪問頻率的作用的基礎(chǔ)上，降低系統(tǒng)的功耗。以K125型Kinetis L設(shè)備為例，這一系統(tǒng)中的二級(jí)流水線架構(gòu)為馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)相結(jié)合的產(chǎn)物。這一設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過程中可以在降陰影分支的基礎(chǔ)上，降低存儲(chǔ)器的訪問頻率。

3 結(jié)論

微控制器實(shí)現(xiàn)低功耗的技術(shù)要點(diǎn)與軟硬件功耗模型之間存在著一定的聯(lián)系。在不同功耗等級(jí)模式下，人們可以從時(shí)鐘模式關(guān)系和電源模式等方面入手，實(shí)現(xiàn)微處理器設(shè)備的能耗的降低。

［1］沈忱，王宜懷，李成金，等.Cortex-M0+內(nèi)核Kinetis L系列的低功耗機(jī)制分析［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14（03）：9-12.

［2］［出版者不詳］.TKScope嵌入式仿真開發(fā)平臺(tái)講座（46）TKScope最新組件支持最新Cortex-M0+內(nèi)核的在線仿真和編程［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12（12）：84-85.