Технология picoPower

 

Множественные области тактирования

picopower_clocks.jpg Известно, что микроконтроллеры могут работать на разных скоростях. Также известно, что с понижением частоты используется меньше энергии. При создании продукта с минимально возможным уровнем потребляемой мощности нет необходимости заставлять работать каждый элемент микроконтроллера на одной и той же частоте.

В микроконтроллерах Atmel® AVR® и Atmel® ǀ SMART на базе ARM® реализуется множество областей тактирования, благодаря чему различные блоки микроконтроллера — ядро, внутренние шины и отдельные периферийные устройства — функционируют со своей частотой. Если в системе от того или иного периферийного устройства не требуется большой производительности, его тактовую частоту можно снизить. Таким образом, для оптимизации энергопотребления каждого периферийного устройства можно использовать отдельный тактовый генератор. При этом выполняются все требования к производительности и функциональности системы с одновременным снижением уровня потребляемой мощности.

Итак, мы можем масштабировать тактовую частоту в индивидуальном порядке. Однако архитектура устройств AVR и SMART также позволяет полностью отключать неиспользуемые периферийные устройства и включать их по мере необходимости, благодаря чему потребляемая мощность становится еще ниже без ухудшения показателей работы всей системы. Множественные области тактирования помогают оптимизировать систему с точки зрения как производительности, так и энергопотребления. Именно этого ждут пользователи от микроконтроллеров Atmel AVR® и Atmel ǀ SMART.

 

Контроллер прямого доступа к памяти и система обработки событий

Обычно передача данных между периферийными устройствами и памятью происходит с участием центрального процессора. Чем больше данных передается от точки A к точке B, тем больше циклов требуется центральному процессору. Но существуют и другие решения. Благодаря технологии Atmel picoPower® контроллер прямого доступа к памяти (DMA) может выполнять передачу данных более эффективно без необходимости пробуждения центрального процессора, что ведет к экономии энергии.

С контроллером DMA данные в устройствах Atmel AVR и Atmel ǀ SMART могут передаваться вообще без участия центрального процессора. Во время пересылки данных процессор остается в ждущем режиме для экономии энергии или выполняет другие задачи, в частности, вычисления. Это улучшает производительность всей системы и позволяет микроконтроллеру чаще переходить в режим ожидания для дополнительной экономии энергии.

Система обработки событий в микроконтроллерах Atmel AVR® и Atmel ǀ SMART позволяет периферийным устройствам самостоятельно принимать решения и напрямую обмениваться данными. Для передачи данных имеется специальная сеть маршрутизации, которая никак не зависит от центрального процессора. Она снижает загрузку последнего и может использоваться в дежурных режимах. При этом улучшается производительность всей системы и одновременно снижается уровень потребляемой мощности. Кроме того, производительность можно точно спрогнозировать, что идеально подходит для систем реального времени.

Контроллер DMA позволяет еще более снизить энергопотребление системы с помощью аппаратного механизма CRC (механизма контроля на основе циклического избыточного кода), который автоматически вычисляет контрольную сумму для проверки целостности данных и помогает экономить энергию при пробуждении ЦП. С контроллером DMA и системой обработки событий на пересылку данных затрачивается меньше времени и система может дольше оставаться в режиме ожидания, а значит, функции микроконтроллеров AVR и Atmel | SMART, предназначенные для снижения энергопотребления, могут использоваться еще чаще.

 

Другие способы снижения энергопотребления

picoPower_chip.jpg Суть технологии Atmel picoPower лежит далеко за пределами одних только функций picoPower. При создании устройств Atmel picoPower тщательно продумывается вся методология проектирования, геометрия процесса и даже тип используемых транзисторов. Каждая из этих составляющих важна для достижения минимального энергопотребления. Все устройства picoPower изначально разрабатываются с учетом требования энергоэффективности. Для снижения уровня потребляемой мощности как в активном, так и во всех дежурных режимах специалисты Atmel внедряют проприетарные процессы и библиотеки, которые обеспечивают минимальные потери.

Для удобства разработчиков программного обеспечения мы реализовали несколько новых технологий снижения мощности в разных микроконтроллерах:

  • возможность выбора уровня производительности "на ходу";
  • автоматическое переключение регулятора напряжения между несколькими рабочими режимами;
  • множество областей питания с автоматической коммутацией;
  • автоматическое переключение памяти SRAM при малом энергопотреблении с возможностью полного отключения;
  • режим резервирования при низком напряжении аккумулятора.

Устройства с малым потреблением мощности позволяют выбирать требуемый уровень производительности "на ходу", что упрощает поиск компромисса между производительностью и энергопотреблением. Уровни производительности помогают найти минимальное напряжение питания ядра для выбранной рабочей частоты.

Внутренние регуляторы напряжения в маломощных устройствах Atmel поддерживают несколько рабочих режимов и могут настраиваться вручную или автоматически в зависимости от требуемого уровня производительности, выбранного режима ожидания или состояния блоков SleepWalking™. Представленная ниже иллюстрация демонстрирует процесс автоматического переключения регулятора напряжения между несколькими режимами ожидания.


Несколько областей питания позволяют вручную или автоматически контролировать мощность, подаваемую на различные периферийные устройства и блоки системы. Автоматическая коммутация областей питания предполагает включение и отключение областей подачи напряжения для экономии энергии с сохранением активного состояния нужной области. Если область питания отключается с помощью автоматической коммутации, логическое состояние всех соответствующих периферийных устройств запоминается и процесс остается абсолютно прозрачным для системы и ее пользователя. При этом минимизируется статическое потребление мощности.

Устройства picoPower обладают несколькими вариантами снижения энергопотребления памяти SRAM, в частности функцией автоматического переключения на режим энергосбережения во время сна и выборочного отключения областей SRAM в режиме глубокого сна.

Еще одна функция, представленная в некоторых устройствах picoPower, — резервирование аккумулятора в спящем режиме. При этом все периферийные устройства, блоки памяти, тактовые и другие генераторы частот отключаются. Активной остается только резервная область. В нее входят часы реального времени, источники тактовой частоты 32 кГц и внешние контакты для пробуждения системы.

 

Полноценная работа при напряжении питания 1,62 В

picoPower_1_6.jpg Простым способом уменьшить энергопотребление любой системы является снижение ее рабочего напряжения. Однако этот способ бесполезен, если ведет к ухудшению производительности аналоговой части. Главная особенность технологии picoPower заключается в тщательной проработке аналоговых блоков, которые сохраняют свою функциональность при напряжениях вплоть до 1,62 В.

Обычно многие функции микроконтроллера начинают нестабильно работать или вообще отключаются при изменении напряжения питания. Неточности в формировании аналоговой периферии, ограничения работы и невозможность сохранения данных в энергонезависимой памяти не позволяют устройствам функционировать при пониженных напряжениях. Это сокращает время службы аккумулятора, вынуждает использовать более дорогие и мощные аккумуляторы и тратить время на поиск обходных маршрутов там, где микроконтроллер должен работать напрямую.

Микроконтроллеры Atmel picoPower гарантируют полную работоспособность при напряжении 1,62 В для аналоговых модулей, генераторов частот, флеш-памяти и памяти EEPROM. Какие преимущества вытекают из этого? Блоки микроконтроллера не отключаются поочередно с падением напряжения. Можно запускать одни и те же приложения при разных уровнях напряжения без каких-либо компромиссов. Все периферийные устройства остаются доступными независимо от уровня напряжения питания. Например, АЦП может измерять напряжение питания и при достижении граничного уровня подавать приложению сигнал, по которому осуществляется сохранение критически важной информации, безопасное отключение и включение после замены аккумулятора.

Потребляемая мощность прямо пропорциональна напряжению питания, поэтому чем оно меньше, тем больше экономится энергии. В устройствах, работающих от аккумулятора, при его истощении микроконтроллеры Atmel могут использовать для работы остаточное напряжение более низкого уровня.

 

Технология SleepWalking

picoPower_magnified.jpg Технология picoPower от компании Atmel предполагает использование интеллектуальных периферийных устройств. Такие устройства способны определять, требуется ли участие ЦП для обработки входящих данных. Мы называем эту технологию SleepWalking™ (англ. "хождение во сне"), т. к. она позволяет ЦП оставаться в спящем режиме при возникновении важных событий, устраняя миллионы лишних сеансов его пробуждения.

В традиционных системах для мониторинга окружающих условий внутренний таймер периодически выводит микроконтроллер из спящего режима, чтобы тот проверил, наступило ли то или иное событие, требующее его участия. Обычно в активном режиме большую часть энергии потребляет ЦП и оперативная память, поэтому пробуждение ЦП для проверки окружающих условий в долгосрочной перспективе ведет к растрате большого количества энергии. В некоторых случаях — при очень малом времени реакции — ЦП может вообще не успевать переходить в режим ожидания.

В микроконтроллерах AVR® и Atmel ǀ SMART эту проблему решают периферийные устройства SleepWalking. Они позволяют оставлять сам микроконтроллер в спящем режиме, пробуждая его только в исключительных случаях. Теперь ЦП не должен отслеживать наступление определенных событий, например совпадения адреса на интерфейсе TWI (I2C) или подключения датчика к АЦП, который превысил определенный порог. При использовании технологии SleepWalking такая проверка выполняется периферийными устройствами самостоятельно. ЦП и оперативная память не задействуются, пока не возникнут особые ситуации.

Такой подход гарантирует невероятную экономию энергии системы во многих случаях. Технология SleepWalking позволяет аппаратному периферийному контроллеру сенсорного ввода выводить систему из спящего режима по касанию или срабатыванию датчика приближения, благодаря чему становится возможной реализация сенсорных кнопок включения питания в системах на аккумуляторах. Технология SleepWalking также поддерживает захват аналогового сигнала и его измерение с помощью интегрированных операционных усилителей или АЦП без участия центрального процессора. Это еще более продлевает срок службы батареи в аналоговых и цифровых сенсорных системах. Механизмы последовательной передачи данных и прямого доступа к памяти могут использовать технологию SleepWalking для управления потоками данных в режимах энергосбережения. Кроме того, конфигурируемые пользователем комбинаторные и последовательные логические блоки, которые применяются во многих устройствах picoPower, могут взаимодействовать с механизмами SleepWalking для объединения и фильтрации сигналов, чтобы исключить нежелательные пробуждения ЦП. С использованием технологии Atmel SleepWalking энергопотребление снижается во всех чувствительных к мощности системах: от носимых медицинских датчиков и портативных детекторов газа до модулей беспроводной связи.

Динамические устройства SleepWalking оптимизируют потребление мощности с помощью активизации областей питания без пробуждения ЦП. Это позволяет микроконтроллеру оставаться в режиме ожидания при минимально возможном напряжении питания. При необходимости осуществляется автоматический переход к областям с более высоким напряжением (когда требуется включение дополнительных системных блоков или периферийных ресурсов) и последующий возврат в режим энергосбережения после обработки события.

Технология SleepWalking — лишь одна из многочисленных инновационных технологий, реализованных в микроконтроллерах Atmel AVR и Atmel ǀ SMART. Вместе они помогают снизить общее потребление мощности любой системы.

 

Ускоренное пробуждение

При переходе в спящий режим для экономии энергии различные блоки микроконтроллера отключаются. В активном режиме тактовые и другие генераторы частот могут потреблять значительную мощность. При выводе этих устройств из спящего режима нужно подождать, пока их работа стабилизируется. Длительное ожидание пробуждения и стабилизации генераторов частот ведет к большим затратам энергии.

Микроконтроллеры AVR и Atmel ǀ SMART выходят из спящего режима невероятно быстро: всего за 8 тактовых циклов при работе от внутреннего RC-генератора. Кроме того, традиционная петля ФАПЧ (PLL) заменяется цифровой системой автоматической подстройки частоты (DFLL) с программируемым, более быстрым и точным внутренним генератором. Это позволяет устранить необходимость использования внешних компонентов и еще сильнее снизить общее энергопотребление системы. Находясь в спящем режиме с отключенным синхронизатором, микроконтроллер может просыпаться от асинхронных событий, в частности при смене состояния на выводе, поступлении данных или совпадении адреса на шине I2C. При этом поддерживается несколько источников пробуждения даже из режима самого глубокого сна. Микроконтроллеры Atmel AVR и Atmel ǀ SMART просыпаются быстрее, а значит, общая потребляемая мощность снижается до минимального возможного уровня.

 

Продукты Atmel

МК Atmel® ǀ SMART на базе ARM®

  • SAM L21 — микроконтроллер на базе ядра ARM Cortex®-M0+; обеспечивает низкое потребление мощности на уровне до 35 мкА/МГц в активном режиме с использованием AES-шифрования, емкостного сенсорного ввода и полноскоростного порта USB устройств и хоста.
  • SAM L22 — микроконтроллер на базе ядра ARM Cortex®-M0+ с контроллером сегментного ЖК-дисплея; обеспечивает низкое потребление мощности на уровне до 39 мкА/МГц в активном режиме с использованием AES-шифрования, емкостного сенсорного ввода, полноскоростного порта USB устройств и механизма обнаружения попыток вскрытия.
  • SAM4L — микроконтроллер на базе ядра ARM Cortex-M4; обеспечивает потребление до 90 мкА/МГц в активном режиме с обработкой мощных сигналов и использованием высокоскоростных коммуникационных периферийных устройств.

МК Atmel AVR®

  • XMEGA — все 8-разрядные микроконтроллеры Atmel XMEGA поддерживают технологию picoPower и обеспечивают высокую производительность, надежность и низкое потребление мощности.
    » Посмотреть всю линейку продуктов
  • megaAVR — наиболее богатый выбор микроконтроллеров с точки зрения размера памяти, количества выводов и вариантов периферийных устройств. Микроконтроллеры поддерживают инновационную технологию picoPower для снижения энергопотребления.
    • ATmega168PB — 8-разрядный микроконтроллер AVR, флеш-память 16 КБ, 32 вывода.
    • ATmega48P — 8-разрядный микроконтроллер AVR с поддержкой технологии picoPower, флеш-память 4 КБ, 28/32 вывода.
    • ATmega48PA — 8-разрядный микроконтроллер AVR с поддержкой технологии picoPower, флеш-память 8 КБ, 28/32 вывода.
    • Все устройства megaAVR, в названии которых на конце имеется буква P, поддерживают технологию picoPower.
      » Посмотреть всю линейку продуктов
  • tinyAVR — обеспечивают уникальное сочетание компактности, производительности, эффективности аналоговых функций и интеграции на системном уровне, а также отличаются высокооптимизированным энергопотреблением.
    • ATtiny441 — 8-разрядный микроконтроллер AVR с поддержкой технологии picoPower, флеш-память 4 КБ, 14/20 выводов.
    • ATtiny841 — 8-разрядный микроконтроллер AVR с поддержкой технологии picoPower, флеш-память 8 КБ, 14/20 выводов.
    • ATtiny1634 — 8-разрядный микроконтроллер AVR с поддержкой технологии picoPower, флеш-память 16 КБ, 20 выводов.
    • Существует большое количество других устройств tinyAVR с поддержкой технологии picoPower.
      » Посмотреть всю линейку продуктов