Tecnologia picoPower

 

Múltiplos domínios de clock

picopower_clocks.jpg É fato consumado, que os microcontroladores podem ser executados em diferentes velocidades. E também sabemos que, à medida que abaixamos a frequência, menos energia é utilizada. Ao desenvolver um produto para um sistema com o menor consumo de energia possível, não faz sentido colocar um clock em todas as partes do microcontrolador na mesma frequência.

Os microcontroladores baseados em Atmel® AVR® e Atmel® ǀ SMART ARM® utilizam múltiplos domínios de clock para habilitar as diferentes partes do microcontrolador - o núcleo, os barramentos internos e os periféricos individuais - de modo que seus clocks sejam configurados individualmente com o objetivo de economizar energia. Se a capacidade máxima de um periférico não for necessária na aplicação, seu clock pode ser reduzido. Clocks individuais podem ser aplicados a diferentes periféricos para que possam ser totalmente otimizados, tendo em vista o consumo de energia. O requisito de recursos ou capacidade da aplicação ainda será atendido quando o consumo de energia for diminuído.

Isto é uma maneira de habilitar os clocks individualmente. Mas com as arquiteturas AVR e SMART, os periféricos não utilizados podem ser totalmente desligados individualmente e ativados novamente durante a execução, diminuindo ainda mais o consumo de energia, sem comprometer a operação do sistema. Múltiplos domínios de clock permitem que uma aplicação tenha seu desempenho e potência otimizados ao mesmo tempo. Tal como acontece nos microcontroladores Atmel AVR® e Atmel ǀ SMART.

 

Controlador DMA e sistema de eventos

Transferir dados de, e para, um periférico ou memória tem sido tradicionalmente uma tarefa para a CPU. Quanto mais dados existirem para serem transferidos de A para B, mais ciclos de CPU serão necessários para transferi-los. Mas existem algumas alternativas. Com a tecnologia Atmel picoPower®, um controlador de acesso direto à memória (DMA) pode realizar esta tarefa de maneira muito mais eficiente em termos de consumo de energia, permitindo que a CPU entre em modo de hibernação, conservando energia.

Com o controlador DMA, os dados em um microcontrolador AVR ou Atmel ǀ SMART poderão ser transferidos de A para B sem a necessidade do envolvimento da CPU. A CPU pode ser colocada em modo de hibernação enquanto os dados estão sendo transferidos, para economizar energia ou ser utilizada para outras tarefas, como realização de cálculos. Isso resulta em desempenho do sistema aprimorado e permite que o microcontrolador entre em modo de hibernação com mais frequência, economizando mais energia.

O Sistema de eventos do microcontrolador Atmel AVR® ou Atmel ǀ SMART permite que periféricos tomem decisões inteligentes e passem os dados diretamente para outros periféricos. Uma rede de roteamento dedicada é utilizada para transmitir os dados, totalmente independente da CPU. A rede descarrega a CPU e pode ser utilizada em modos de hibernação. O desempenho do sistema é ampliado enquanto o consumo de energia é reduzido. Além disso, é 100% determinístico e perfeitamente adequado para aplicações em tempo real.

O controlador DMA pode reduzir o consumo de energia do sistema ainda mais, utilizando um mecanismo CRC por hardware para calcular automaticamente o checksum, com o objetivo de fornecer uma verificação íntegra e economizar o consumo adicional de energia da CPU durante a ativação. Com o controlador DMA e o Sistema de eventos, gasta-se menos tempo transferindo dados e mais tempo no modo de hibernação, permitindo que os recursos de baixa potência dos microcontroladores Atmel | SMART AVR sejam utilizados ainda com mais frequência.

 

Desenvolvido para baixa potência

picoPower_chip.jpg A essência do dispositivo Atmel picoPower® vai muitos além dos vários recursos picoPower incluídos. A metodologia de desenvolvimento, a geometria do processo e até mesmo os tipos de transistores utilizados, são todos parte da economia de energia, essenciais em um dispositivo Atmel picoPower. Todos os dispositivos picoPower são concebidos desde o início para baixo consumo de energia, utilizando processos com baixas correntes de fuga e bibliotecas Atmel para fornecer baixo consumo de energia líder na indústria, nos modos ativo e em todos os modos de hibernação.

Para melhorar a facilidade de uso para os desenvolvedores de software, a Atmel introduziu vários novos recursos de baixa potência, disponíveis em diferentes microcontroladores de baixa potência:

  • Níveis de desempenho selecionáveis pelo usuário
  • Regulador de tensão automático com vários modos de operação
  • Múltiplos domínios de potência com restrição automática dos domínios de energia
  • Chaveamento automático da SRAM de baixa potência com desabilitação opcional
  • Modo de backup para bateria de baixa potência

Para permitir que os desenvolvedores tenham equilíbrio entre desempenho e consumo de energia, dispositivos de baixa potência oferecem níveis de desempenho selecionáveis pelo usuário. Esses níveis de desempenho permitem que o usuário dimensione para o menor nível de tensão do núcleo que irá suportar uma dada frequência operacional.

Os dispositivos de baixa potência da Atmel possuem reguladores de tensão internos com diferentes modos de operação que podem ser ajustados automaticamente ou manualmente pelo usuário, dependendo do nível de desempenho, modo de suspensão selecionado ou status do SleepWalking™. Abaixo segue uma ilustração de um regulador de tensão automático alternando entre vários modos de hibernação.


Múltiplos domínios de potência, permitem que a potência seja controlada automaticamente ou pelo usuário em diferentes periféricos e recursos do sistema. A restrição automática do domínio de potência consiste em ativar ou desativar diferentes tensões de domínios de potência com o objetivo de economizar energia ao mesmo tempo em que mantém os domínios de potência necessários ativos. Quando um domínio de potência é desativado por meio da restrição automática de domínio de potência, o estado lógico de todos os periféricos é retido e o processo é completamente transparente para o usuário/aplicação, minimizando o consumo estático de energia.

Os dispositivos picoPower oferecem uma variedade de opções de SRAM de baixa potência, incluindo chaveamento automático para o modo de baixa potência durante o modo de hibernação e desabilitação selecionável de partes da SRAM nos modos de hibernações profundas.

Outro recurso disponível ao selecionar os dispositivos picoPower é o backup da bateria no modo de hibernação. Neste modo, todos os periféricos, memória, clocks e osciladores são desativados e somente o domínio de backup permanece ativo. O domínio de backup consiste nas fontes de clock de 32kHz, RTC e ativação através de pinos externos.

 

Operação Verdadeira em 1,62V

picoPower_1_6.jpg Uma maneira fácil de reduzir o consumo de energia em qualquer projeto é diminuir a tensão de operação. Mas isso não terá nenhuma utilidade se o desempenho analógico for comprometido. Como parte essencial da tecnologia picoPower estão as funções analógicas cuidadosamente desenvolvidas que continuam funcionando com até 1,62V.

Tradicionalmente, vários recursos de um microcontrolador se tornam instáveis ou, inclusive, inutilizáveis em diferentes níveis de tensão. Imprecisões em periféricos analógicos, operações limitadas ou incapacidade de gravar em memórias não voláteis, impedem que projetos sejam executados em tensões menores. Isso pode diminuir a vida útil da bateria, encarecer e aumentar o tamanho das baterias ou fazer com que muito tempo seja gasto tentando encontrar uma solução para um problema que poderia ter sido resolvido pelo microcontrolador.

Os microcontroladores Atmel picoPower oferecerem operação verdadeira em 1,62V, incluindo todos os módulos analógicos, osciladores e programação de EEPROMs e Memórias Flash. Então o que isso significa na prática? Significa que diferentes recursos dos microcontroladores não se desligarão à medida que a tensão diminuir. É possível executar a mesma aplicação em diferentes tensões sem se comprometer. Todos os periféricos estão disponíveis, independentemente da tensão de alimentação. O ADC, por exemplo, pode ser utilizado para medir a tensão de alimentação à medida que a tensão de desligamento se aproxima e, quando detectada, permite que a aplicação armazene informações vitais e assegure um desligamento seguro, permitindo uma reinicialização sem falhas após a troca de baterias.

O consumo de energia é proporcional à tensão de alimentação, o que significa que fazer uma execução na menor tensão de alimentação possível economizará energia. Para dispositivos operados por bateria, os microcontroladores Atmel podem fazer uso da potência restante disponível em níveis de tensão da bateria menores à medida que a bateria se descarrega.

 

SleepWalking

picoPower_magnified.jpg Como parte da tecnologia picoPower, a Atmel acrescentou inteligência aos periféricos. Isso permite que um periférico determine se dados de entrada precisam ou não utilizar a CPU. Chamamos esse processo de SleepWalking™ pois ele permite que a CPU fique no modo de hibernação até que algum evento importante ocorra, eliminando milhões de ativações desnecessárias da CPU.

Na maneira tradicional de monitorar o mundo fora do dispositivo, um temporizador interno ativa o microcontrolador periodicamente para verificar se determinadas condições que exigem a sua atenção, estão presentes ou não. A CPU e a RAM tradicionalmente consomem a maior parte da potência no modo ativo e, portanto, ativar a CPU para verificar essas condições consumirá mais potência no longo prazo. Em alguns casos, onde o tempo de reação é muito pequeno, pode não ser possível que a CPU volte todos para o modo de hibernação.

Os microcontroladores Atmel AVR® e Atmel ǀ SMART resolvem esse problema utilizando periféricos SleepWalking. O SleepWalking permite que o microcontrolador seja colocado em modo de hibernação profunda e seja ativado somente quando um evento pré-qualificado ocorrer. A CPU não precisa mais verificar se uma determinada condição está presente ou não, como uma condição de correspondência de endereço na interface TWI (I2C) ou um sensor conectado a um ADC que tenha excedido um limite específico. Com o SleepWalking, isso é realizado totalmente pelos próprios periféricos. A CPU e a RAM não serão ativadas até que a condição seja verdadeira.

Isso permite uma grande economia no consumo de energia do sistema de muitas aplicações. O SleepWalking permite que um controlador periférico de toque ative o sistema por toque ou proximidade, permitindo o uso de botões de ativação capacitivos por toque em aplicações alimentadas por bateria. O SleepWalking suporta a aquisição de sinais analógicos e medições através de amplificadores operacionais integrados ou ADCs enquanto a CPU fica inativa, aumentando imensamente a vida útil da bateria em aplicações com sensores digitais e analógicos. As transferências por DMA e as comunicações seriais podem utilizar o SleepWalking para habilitar a comunicação e o fluxo de dados nos modos de potência ultrabaixa. Blocos de lógica sequenciais e combinatórias configuráveis pelo usuário – disponíveis em muitos dispositivos picoPower – podem ser associados ao SleepWalking para combinar e filtrar sinais de maneira a evitar ainda mais ativações desnecessárias da CPU. Quaisquer aplicações sensíveis à potência – desde sensores médicos vestíveis, detectores de gás portáteis a módulos de comunicação wireless – irão reduzir o consumo de energia do sistema utilizando a tecnologia Atmel SleepWalking.

O SleepWalking dinâmico otimiza o consumo de energia ainda mais, habilitando as transições de domínios de potência sem ativar a CPU. Isso permite que o MCU fique em espera no modo de menor potência possível, incrementando de maneira autônoma, para um domínio de maior potência caso precise utilizar recursos periféricos ou de sistemas adicionais, e que volte ao modo de baixa potência quando o evento tiver sido resolvido.

O SleepWalking é apenas uma das muitas tecnologias inovadoras encontradas nos microcontroladores Atmel AVR e Atmel ǀ SMART que reduzem o consumo de energia total do sistema em sua aplicação.

 

Ativação mais rápida

Entrar no modo de suspensão faz com que partes de um microcontrolador sejam desligadas a fim de economizar energia. Os osciladores e clocks podem consumir uma quantidade considerável de energia quando estão em uso, e quando são ativados a partir do modo de suspensão, esses clocks precisam estar estáveis antes de poderem ser utilizados. Esperar muito tempo para que os clocks estejam disponíveis e estáveis fará com que muita energia seja desperdiçada.

Os microcontroladores Atmel AVR e Atmel ǀ SMART foram desenvolvidos para serem ativados de maneira extremamente rápida – com o mínimo de oito ciclos de clock ao serem executados a partir de um oscilador RC interno. Além disso, um circuito fechado de frequência digital (DFLL) substitui o tradicional ciclo fechado de fase (PLL), desenvolvido para fornecer um oscilador interno programável que seja igualmente rápido e ainda mais preciso que as outras alternativas. Ele também pode eliminar os componentes externos, reduzindo ainda mais o consumo de energia do sistema. Quando no modo de suspensão com os clocks síncronos desligados, o microcontrolador ainda pode ser ativado por eventos assíncronos como mudança de pinos, dados recebidos ou até mesmo correspondência de endereço de barramento I2Correspondência de endereços do barramento C, habilitando várias fontes de ativação, mesmo dos modos de hibernação mais profundos. Os microcontroladores Atmel AVR e Atmel ǀ SMART gastam menos tempo para serem ativados, portanto o total de energia consumida será bem utilizado.

 

Produtos Atmel

MCUs baseados em Atmel® ǀ SMART ARM®

  • SAM L21 – MCU baseado em ARM Cortex®-M0+ com baixo consumo de potência, abaixo de 35 µA/MHz em modo ativo com AES, sensor de toque capacitivo, host e dispositivo USB de alta velocidade.
  • SAM L22 – MCU baseado em ARM Cortex®-M0+ com controlador de LCD por segmentos (SLCD) de baixo consumo de potência, abaixo de 39 µA/MHz em modo ativo com AES, sensor de toque capacitivo, detector de interferência e dispositivo USB de alta velocidade.
  • SAM4L – MCU baseado em ARM Cortex-M4 com consumo de energia abaixo de 90µA/MHz em modo ativo e ao mesmo tempo em que fornece processamento dos sinais de potência e periféricos de comunicações de alta velocidade.

MCUs Atmel AVR®

  • XMEGA – Todos os MCUs Atmel XMEGA apresentam a tecnologia picoPower e fornecem um alto desempenho, seguros e com baixo consumo de energia em um encapsulamento de 8 bits.
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  • megaAVR – Maior variedade de dispositivos para opções de tamanhos de memória, pinagem e periféricos com a inovadora tecnologia picoPower desenvolvida para reduzir o consumo de energia.
    • ATmega168PB Microcontrolador AVR de 8 bits, 16kB Flash, 32 pinos
    • ATmega48P Microcontrolador AVR picoPower de 8 bits, 4kB Flash, 28/32 pinos
    • ATmega48PA Microcontrolador AVR picoPower de 8 bits, 8kB Flash, 28/32 pinos
    • Todos os dispositivos megaAVR com um "P" no final do nome do dispositivo possuem a tecnologia picoPower
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  • tinyAVR – Oferece uma combinação incomparável de miniaturização, potência de processamento, desenvolvimento analógico e integração em nível de sistema, juntamente com uma eficiência altamente otimizada.
    • ATtiny441 Microcontrolador AVR picoPower de 8 bits, 4kB Flash, 14/20 pinos
    • ATtiny841 Microcontrolador AVR picoPower de 8 bits, 8kB Flash, 14/20 pinos
    • ATtiny1634 Microcontrolador AVR picoPower de 8 bits, 16kB Flash, 20 pinos
    • Há muitos outros dispositivos tinyAVR que apresentam a tecnologia picoPower
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