STMicroelectronics: STM32L-Serie
Ultra-Low-Power-Mikrocontroller
Heutzutage gibt es eine große Anzahl an Mikrocontrollern (MCUs), die mit dem Attribut »Ultra-Low-Power« (ULP) bezeichnet werden. Die Frage ist aber: Wie lassen sich Effizienz und Leistungsfähigkeit bestmöglich vereinbaren?
Um die Leistungsaufnahme zu reduzieren, bedient man sich verschiedener Techniken, angefangen bei einem energieoptimierten aktiven Betriebsmodus bis hin zu verschiedene Sleep-Modi.
In der Vergangenheit brachten diese Sleep-Modi enorme Vorteile, doch neue Architekturen, neue MCU-Cores und neue Prozesstechnologien lassen die Vorteile der Sleep-Modi schwinden, so dass die Designer für ihre Applikationen die richtige Kombination aus aktivem Modus und den vielfältigen Sleep-Modi finden müssen.
Aktiver Betriebsmodus
Die aktive Betriebsart wird meist durch »µA/MHz« definiert. Im ULP-Segment ist diese Angabe aber nur bedingt relevant. Um ein vollständiges Bild zu bekommen, muss auch die Rechenleistung bekannt sein. Hier kann der Coremark-Wert nützliche Indizien über die Leistungsfähigkeit einer MCU liefern.
Dazu ein Beispiel: Die MCU »A« mit einem 16-Bit-Prozessorkern erreicht einen Benchmark-Wert von 0,6 Coremark/MHz, während es die MCU »B« mit einem 32-Bit-Kern auf 2,9 Coremark/MHz bringt. Das heißt, dass die MCU »B« die gleiche Aufgabe in ungefähr einem Fünftel der Zeit erledigen kann wie MCU »A«. Mit einer kürzeren aktiven Zeit sinken der Energieverbrauch und damit auch die gesamte Leistungsaufnahme. Die Frage lautet nun: Wie kann die Leistungsaufnahme im aktiven Betriebsmodus reduziert werden?
- Der MCU-Prozessorkern
Wie soeben deutlich wurde, kann die intelligente Architektur des Prozessorkerns einen entscheidenden Unterschied ausmachen. Eine 32-Bit-MCU ist energieeffizienter als eine MCU mit 16-Bit-Core, und ein 32-Bit-Core mit Gleitkomma-Einheit (Floating Point Unit - FPU) ist schneller als ein standardmäßiger 32-Bit-Core (sofern die Anwendung solch eine Rechenweise benötigt).
Außerdem muss der Arbeitszyklus der Applikation sowie das zeitliche Verhältnis zwischen Aktiv- und Sleep-Modus in Betracht gezogen werden. Wenn die betreffende Anwendung, beispielsweise ein Rauchmelder, 95 Prozent der Zeit im Sleep-Modus verbringt, ist der Mikrocontroller mit der geringsten Stromaufnahme im Sleep-Modus der richtige Kandidat.
Anders ist die Situation bei einem komplexeren System wie etwa einem Sensor-Hub. werden große Datenmengen von verschiedenen Sensoren (z. B. Gyroskopen, Magnetometern usw.) verarbeitet. Die beste Wahl ist hier deshalb die MCU mit der größten Energieeffizienz, wobei die Rechenleistung (32-Bit mit FPU) aber auch das Verhältnis µA/MHz zu berücksichtigen sind. Selbst wenn die Sleep-Modi der gewählten MCU nicht bis ins Letzte optimiert sind, kann die Leistungsaufnahme geringer ausfallen als bei einer reinen ULP-MCU mit besonders sparsamem Sleep-Modus, weil die MCU überwiegend im aktiven Modus betrieben wird.
- Der integrierte Flash
Die Geschwindigkeit des Flash-Speichers sollte mit der Geschwindigkeit der gesamten Plattform übereinstimmen, weil anderenfalls der Flash die Effizienz der gesamten Plattform reduzieren würde. Zum Beispiel ist ein mit 32 MHz getakteter 32-Bit Flash-Speicher langsamer als ein 32 MHz Flash-Speicher mit 64-Bit-Zugriff, was sich entsprechend auf die Leistungsfähigkeit der gesamten Plattform auswirkt. Hinzu kommt noch, dass bei den meisten Flash-Speichern aus technischen Gründen ab einer bestimmten Frequenz Wartezyklen auftreten.
Lösen lässt sich dieses Problem mit verschiedenen Techniken - beispielsweise durch einen zusätzlichen Cache-Speicher zwischen Flash und CPU. Ist dieser Pufferspeicher richtig dimensioniert, lassen sich die Wait-States durch den Cache vollständig absorbieren, sodass dank maximaler Performance bei maximaler Frequenz weniger Zeit im aktiven Modus verbracht wird.
- Der Taktbaum
Der Taktbaum ist das Rückgrat der MCU, denn an ihn sind alle synchronen Kommunikations-Peripheriefunktionen für ADC, DAC usw. angeschlossen. Ein intelligent ausgelegter Taktbaum bietet die Möglichkeit, mit verschiedenen Taktquellen zu arbeiten. Der interne Takt bietet deutlich mehr Flexibilität, so dass unterschiedliche Frequenzen genutzt werden können. Nachteilig an den intern generierten Takten ist, dass deren Genauigkeit temperaturabhängig ist. Aus diesem Grund bieten die meisten MCU-Plattformen die Option, auf eine präzise externe Taktquelle zurückzugreifen. Damit kann der interne Takt kalibriert werden, sodass einerseits die eben beschriebene Flexibilität besteht und andererseits nicht auf die Genauigkeit verzichtet werden muss.
- Prozesstechnologien
Je mehr Features eingebaut werden, um die im aktiven Modus verbrachte Zeit zu verringern, umso größer wird der Chip bezogen auf die Zahl der Gatter im digitalen Bereich. Ein größerer digitaler Bereich aber bewirkt eine höhere Stromaufnahme hauptsächlich im aktiven Modus. Um diesem Phänomen entgegenzuwirken, steigen MCU-Designer auf kleinere Prozessgeometrien um. Ein MCU-Design auf Basis eines 180-nm-Prozesses wird mehr Strom verbrauchen als das gleiche Design auf Basis von beispielsweise 110 nm. Während kleinere Prozessgeometrien dabei helfen, die aktive Stromaufnahme zu senken, erhöhen sich damit aber die Leckströme, was sich wiederum in den Sleep-Modi als gravierender Nachteil darstellt und vom Design her kompensiert werden muss.
- Ultra-Low-Power-Mikrocontroller
- Der Sleep-Modus
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