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Anwendungsbeispiel ARM-Cortex

Dem Cortex-M4 Spitzenleistungen entlockt

5. Oktober 2010, 13:26 Uhr | Von John Weil (Freescale)

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Strom sparend im Betrieb

Der ARM-Cotex-M4 ist für einen geringen Energiebedarf bekannt. Für die Kinetis-Familie hat Freescale die von ARM vorgesehenen Stromsparmodi weiter ausgebaut und darüber hinaus mehrere neue realisiert (Bild 2). ARM bietet von Natur aus drei Stromsparmodi an. Die Freescale-Implementierung des M4-Cores bietet zehn Stromsparmodi und eine ganze Reihe von Weck-Optionen an. Besondere Bedeutung gewinnt dies für batteriebetriebene Geräte, in denen die CPU die meiste Zeit im Stromspar- oder Schlafmodus ist.

Zu den integrierten Zusatzfunktionen gehören flexible Stromsparmodi zur Optimierung des Leistungsprofils, zur Aktivierung bzw. Deaktivierung von Spannungspfaden und Takt, Back Biasing, eine Aufweckzeit von 4 µs, Flash-Programmierung und Funktionen der analogen Peripherie bis herunter zu 1,71 V. Die Stromaufnahme im Stopp-Modus liegt unter 500 nA, und im Betrieb werden Werte unter 200 µA/MHz erreicht. Eine stromsparende Echtzeit-Uhr, eine Weck-Funktion, die sich durch geringe Leckströme auszeichnet, und ein Low-Power-Timer eröffnen den Kunden noch mehr Flexibilität. Systeme können damit überwiegend in einem der vielen Stromsparmodi betrieben werden. Kinetis bietet optional FlexMemory an, damit können beliebige Zustände schnell im integrierten EEPROM (FlexMemory) abgelegt werden, unter anderem, um systemkritische Daten dauerhaft zu speichern. FlexMemory heißt das konfigurierbare integrierte EEPROM, das auch als Flash-Speicher dienen kann.

Eine MCU muss eine große Auswahl an Betriebsarten, Weck-Optionen und Aufwachzeiten bieten, damit Entwickler die Aktivität der Peripherie und die Aufwachzeiten für die jeweilige Applikation optimieren und so die verfügbare Batteriekapazität optimal nutzen können. Ein gutes Beispiel für die Kombination aus Cortex-M4- und Kinetis-Stromsparmodi ist der VLPR-Modus (Very Low Power Run). In dieser Betriebsart wird die maximale Taktfrequenz für CPU und Peripherie begrenzt. Der CPU-Plattform-Takt wird auf 2 MHz, der Zugriff auf den Flash-Speicher auf 1 MHz begrenzt, und der integrierte Spannungsregler wird in den Stand-by-Modus überführt, während die Funktionen der Peripherie und die Erkennung von Unterspannung (LVD) weiterhin gewährleistet sind.

Im Normalbetrieb verarbeitet die CPU den Software-Code mit maximaler Geschwindigkeit. Wird der maximale Bustakt nicht benötigt, so kann man in den VLPR-Modus schalten. Je nach Rechenleistung, Speicherausbau und Peripheriekonfiguration bewegt sich die VLPR-Stromaufnahme zwischen 600 µA und 1 mA. DSP- und Gleitkomma-Funktionen des Cortex-M4 beschleunigen Arithmetik-Funktionen z.B. bei der Datenverarbeitung von Sensoren, wodurch sich die Batterielebensdauer weiter verlängert. Auf diese Weise bieten sich die M4-basierten Kinetis-Produkte speziell für Projekte an, in denen Sensor-Daten verarbeitet und Systemfunktionen überwacht werden müssen.