微控制器用于許多低功耗和/或電池供電的應(yīng)用，從智能儀表到消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備，再到遠(yuǎn)程傳輸溫度、振動(dòng)、濕度和其他參數(shù)數(shù)據(jù)的工業(yè)設(shè)備。在這些應(yīng)用中，電池壽命是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——微控制器在確定這一時(shí)間長(zhǎng)度方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　許多因素對(duì)微控制器的選擇起作用。主要因素，例如正確的外設(shè)組合和內(nèi)存配置文件，是數(shù)據(jù)表中非常量化的細(xì)節(jié)。然而，數(shù)據(jù)表數(shù)字如何轉(zhuǎn)化為電池壽命和微控制器性能是模棱兩可的。為了準(zhǔn)確比較，工程師使用多個(gè)供應(yīng)商的設(shè)備構(gòu)建原型，但這種方法非常耗時(shí)，因此唯一實(shí)際的選擇是依靠數(shù)據(jù)表編號(hào)并希望它與應(yīng)用程序有某種關(guān)聯(lián)。這種方法通常意味著，在設(shè)計(jì)過程的后期，必須進(jìn)行更改以添加更大或更復(fù)雜的電池。

　　大多數(shù)電池應(yīng)用程序大部分時(shí)間都在睡眠中，醒來以執(zhí)行其功能，然后重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。對(duì)于這些應(yīng)用，電池壽命取決于微控制器的三個(gè)主要方面：

　　微控制器的“無所事事”狀態(tài)，通常有許多不同的形式。

　　啟動(dòng)時(shí)間，即微控制器從無操作狀態(tài)到運(yùn)行應(yīng)用程序狀態(tài)所需的時(shí)間。

　　應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)。

　　對(duì)于特定的微控制器，無論應(yīng)用程序如何，無操作狀態(tài)和啟動(dòng)狀態(tài)的功耗或多或少都是給定的，但應(yīng)用程序的功耗是唯一的。為了合理地比較不同的設(shè)備，我們需要一個(gè)代表“典型”微控制器應(yīng)用的基準(zhǔn)算法，并練習(xí)大多數(shù)架構(gòu)特性和存儲(chǔ)器選項(xiàng)。

　　在以下研究中，我們使用 EEMBC? CoreMark? 基準(zhǔn)來創(chuàng)建一個(gè)合理的方法來比較不同微控制器的功耗。正如您將看到的，低功耗的“直觀”選擇并不一定會(huì)產(chǎn)生最長(zhǎng)的電池壽命。

　　CoreMark 復(fù)習(xí)

　　在 2011 年 7 月 8 日的 TechZone 微控制器解決方案雜志中，我們談到了CoreMark，但這里有一個(gè)快速復(fù)習(xí)。自 2009 年以來，CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試已被下載近 7，000 次（截至撰寫本文時(shí)）。開發(fā)人員特別注意解決困擾舊基準(zhǔn)的陷阱：幾乎不像真實(shí)代碼的工作負(fù)載；可能優(yōu)化部分代碼的編譯器；以及可能扭曲任何有意義的結(jié)果的其他操作的可能性。CoreMark 已證明自己是一個(gè)可靠的性能指標(biāo)。CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試通過仔細(xì)使用三種基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來反映真實(shí)世界的計(jì)算。鏈表執(zhí)行指針操作；矩陣運(yùn)算展示了緊密優(yōu)化的循環(huán)；和狀態(tài)機(jī)測(cè)試結(jié)構(gòu)較少、難以預(yù)測(cè)的分支。

　　該程序主要由一個(gè)主循環(huán)組成，其中完成了大部分工作。我們將循環(huán)的每次偏移稱為一次迭代。在循環(huán)完成迭代后，運(yùn)行循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC），它也是基準(zhǔn)的定時(shí)部分的一部分，以確認(rèn)在執(zhí)行期間沒有出錯(cuò)。該基準(zhǔn)測(cè)試的特點(diǎn)使其非常適合比較各種不同微控制器的性能（或在本例中為能耗）。

　　使用 CoreMark 比較當(dāng)前

　　8位微控制器

　　16位微控制器

　　32位微控制器

　　“典型”功耗的數(shù)據(jù)表值通常附有腳注，表明測(cè)試設(shè)置與實(shí)際用戶應(yīng)用程序中的現(xiàn)場(chǎng)情況有所不同。這些注意事項(xiàng)包括關(guān)閉所有內(nèi)部振蕩器并從外部振蕩器驅(qū)動(dòng)設(shè)備。此外，所有外圍設(shè)備都關(guān)閉；核心和內(nèi)存是唯一的活動(dòng)組件。部分原因是因?yàn)閹缀醪豢赡茉O(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)的使用配置文件，尤其是與內(nèi)存和外圍設(shè)備使用相關(guān)的情況。但是，數(shù)據(jù)表并未指定在進(jìn)行功率測(cè)量時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行的代碼。有些表示 CRC 算法或簡(jiǎn)要描述代碼；其他人指定一個(gè)“while （1）”循環(huán)。

　　最初，當(dāng)我們比較微控制器的功耗時(shí)，我們查看了運(yùn)行 EEMBC 的 CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)消耗的電流，然后將該值與數(shù)據(jù)表編號(hào)進(jìn)行比較。我們?cè)谑覝叵率占宋覀兊臏y(cè)試數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)表注釋保持一致。在所有情況下，設(shè)備都是從 FLASH 執(zhí)行的。因?yàn)槲覀兤ヅ淞怂幸阎臏y(cè)試條件（除了代碼），我們可以隔離代碼對(duì)確定測(cè)量數(shù)字可靠性的影響。

　　CoreMark 和數(shù)據(jù)表比較

　　下圖顯示了器件在數(shù)據(jù)表中報(bào)告的頻率以及運(yùn)行 CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)測(cè)量的行為。在所有情況下，CoreMark 電流都高于報(bào)告的數(shù)據(jù)表數(shù)字，有時(shí)甚至高出很多。表 1 顯示了 CoreMark 測(cè)量電流與數(shù)據(jù)表電流的比率。

　　圖 1：比較數(shù)據(jù)表和 CoreMark 生成的通用 8 位微控制器的電流與頻率值。

　　圖 2：比較數(shù)據(jù)表和 CoreMark 生成的通用 32 位微控制器的電流與頻率值。

　　表 1：CoreMark 與數(shù)據(jù)表的比率表明，對(duì)于實(shí)際代碼執(zhí)行，差異有時(shí)可能會(huì)大 2.5 倍。

　　能量：計(jì)算曲線下的面積

　　使用 CoreMark 提供了很好的工作負(fù)載來展示微控制器之間的性能差異，但需要額外的步驟來確定內(nèi)核執(zhí)行算法所需的能量。如果兩個(gè)微控制器在給定頻率下消耗相同的電流，但一個(gè)比另一個(gè)更快地完成工作，那么速度更快的微控制器在工作時(shí)使用的能量更少。請(qǐng)注意，數(shù)據(jù)表中的值僅顯示電流消耗，不反映微控制器效率和能耗。

　　32 位微控制器運(yùn)行應(yīng)用程序的速度可能比 8 位或 16 位微控制器快兩到三倍，但這與電池壽命有什么關(guān)系呢？電池壽命由能量被移除的速率（即功率）決定，并由功率與時(shí)間曲線下的面積反映，如圖 3 所示。執(zhí)行。

　　圖 3：功率曲線下的面積決定能量。

　　更高效的微控制器可能會(huì)在固定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)生更小的曲線下面積，因?yàn)榭梢栽谒吣Ｊ较禄ㄙM(fèi)更多時(shí)間。營(yíng)銷幻燈片通常顯示一個(gè)通用圖表，所有位寬（8、16 或 32）的峰值電流相等，更寬位寬的執(zhí)行速度更快（參見圖 4）。換句話說，它們顯示了速度的優(yōu)勢(shì)，但可能忽略了更高電流的劣勢(shì)。這會(huì)夸大大型微控制器的能源效率。圍繞 CoreMark 基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)際測(cè)量可以更真實(shí)地了解微控制器的性能。

　　圖 4：對(duì)平均電流的性能影響。

　　能量測(cè)量

　　在我們執(zhí)行的評(píng)估過程中，每個(gè)設(shè)備都從睡眠狀態(tài)中喚醒，執(zhí)行 CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試，然后重新進(jìn)入靜態(tài)低功耗模式。大多數(shù)微控制器有許多不同的斷電模式。在一個(gè)示例中，微控制器可能會(huì)進(jìn)入低功率振蕩器保持開啟的低功率狀態(tài)保持狀態(tài)。在這種情況下，微控制器會(huì)根據(jù)一些中斷將自己?jiǎn)拘?，并從它進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)停止的地方繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用程序。其他低功耗模式具有使微控制器的各個(gè)部分上電的選項(xiàng)。

　　各種模式以喚醒時(shí)間換取功耗。在最低功耗模式下，外部源必須喚醒微控制器。為了進(jìn)行公平的評(píng)估，我們選擇了微控制器可以喚醒的最低功耗睡眠狀態(tài)。我們將喚醒時(shí)間包括在整體能量測(cè)量中。

　　隨著時(shí)間的推移測(cè)量微控制器的電流是一項(xiàng)挑戰(zhàn)——?jiǎng)討B(tài)范圍很大，在很短的時(shí)間內(nèi)從微安到毫安。在這么大的范圍內(nèi)自動(dòng)切換時(shí)，傳統(tǒng)的電流表太慢了。此外，當(dāng)前的采樣時(shí)間太長(zhǎng)，無法捕捉到快速變化。幾家公司已經(jīng)建立了合適的測(cè)量設(shè)備；我們使用了Hitex的PowerScale，它響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)范圍大。我們將 PowerScale 探頭與微控制器的電源軌串聯(lián)。在所有情況下，微控制器 I/O 都處于非活動(dòng)狀態(tài)，我們只測(cè)量了內(nèi)核和內(nèi)存。

　　修改占空比

　　在我們的測(cè)量中，我們想要修改執(zhí)行時(shí)間與睡眠時(shí)間的比率。因此，我們修改了 CoreMark 基準(zhǔn)，以允許測(cè)量工作循環(huán)的單次迭代。在 10 秒的時(shí)間里，我們運(yùn)行了 CoreMark 工作循環(huán)的一次迭代，然后讓微控制器休眠；我們從中獲得了工作時(shí)間與睡眠時(shí)間的占空比。

　　每個(gè)微控制器都被編程為喚醒到給定頻率，執(zhí)行 CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試的一次迭代，然后重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)電流開始上升時(shí)測(cè)量喚醒時(shí)間，當(dāng)電流達(dá)到其靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)開始測(cè)量睡眠時(shí)間。這使得占空比測(cè)量與完成基準(zhǔn)測(cè)試所需的時(shí)間（包括啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)間）成正比。

　　我們通過調(diào)整時(shí)鐘頻率來修改占空比。例如，在 6 MHz 時(shí)，基準(zhǔn)循環(huán)的完成速度是 3 MHz 時(shí)的兩倍，從而留出更多的睡眠時(shí)間，從而減少占空比（參見表 2）。

　　表 2：作為工作頻率函數(shù)的占空比比較（百分比）。

　　測(cè)量結(jié)果

　　對(duì)十秒內(nèi)的電流積分得出消耗的電荷量。由于電壓是固定的，每次迭代的電荷測(cè)量與每次迭代的能量成正比（參見圖 5）。例如，在 4 MHz 時(shí)，32 位微控制器的效率分別是 16 位和 8 位微控制器的 3.5 倍和 8.6 倍。

　　圖 5：每次迭代能量。

　　輸入電壓對(duì)能量的影響

　　輸入電壓會(huì)影響基于微控制器的半導(dǎo)體工藝的每次迭代能量，以及它是否具有電壓調(diào)節(jié)器，如果有，調(diào)節(jié)器的類型。例如，我們的測(cè)試表明，與 32 位微控制器相比，電壓變化導(dǎo)致 16 位微控制器的功耗變化更大；然而，16 位微控制器的制造過程允許設(shè)備在其整個(gè)電壓范圍內(nèi)運(yùn)行而無需穩(wěn)壓器；32 位微控制器需要一個(gè)板載穩(wěn)壓器。不帶穩(wěn)壓器的設(shè)備的電流消耗變化將比帶穩(wěn)壓器的設(shè)備大得多。在我們的具體測(cè)試中，32位微控制器在數(shù)字邏輯前端使用了線性穩(wěn)壓器；這在輸入電壓變化時(shí)提供恒定電流。如果設(shè)備改用開關(guān)穩(wěn)壓器，則設(shè)備將消耗恒定功率而不是恒定電流。

　　單次迭代與重復(fù)能量

　　單次迭代測(cè)試更多地關(guān)注睡眠時(shí)間而不是清醒時(shí)間。我們通過運(yùn)行一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試迭代并讓微控制器進(jìn)入睡眠狀態(tài)來做到這一點(diǎn)。這將是一個(gè)應(yīng)用程序的準(zhǔn)確表示，該應(yīng)用程序運(yùn)行一次，然后等待很長(zhǎng)時(shí)間才能再次運(yùn)行。我們確定，如果睡眠時(shí)間少于 75 秒，則 32 位微控制器將使用最少的能量，因?yàn)樗ㄙM(fèi)了大部分時(shí)間運(yùn)行代碼，而 32 位微控制器在運(yùn)行代碼時(shí)效率更高。對(duì)于超過 75 秒的睡眠時(shí)間，16 位微控制器使用的能量最少，因?yàn)樗谒邥r(shí)效率更高。當(dāng)睡眠時(shí)間超過 300 秒時(shí)，8 位消耗的電流最小。

　　如果應(yīng)用程序代碼不斷迭代而不是只運(yùn)行一次，那么能量分布看起來就會(huì)大不相同。圖 6 顯示了在選定頻率下測(cè)試的三個(gè)設(shè)備的能量分布。隨著時(shí)間的推移，能量線性累積。在這種類型的應(yīng)用中，32 位微控制器可以以更低的電流更快地完成任務(wù)。

　　圖 6：CoreMark 重復(fù)執(zhí)行的測(cè)試結(jié)果。

　　但是我的電池能用多久？

　　絕對(duì)電池壽命取決于應(yīng)用程序，但我們?cè)谶\(yùn)行重復(fù)的 CoreMark 工作負(fù)載時(shí)比較了上述三個(gè)微控制器。使用 240 mAhr CR2032紐扣電池為所有運(yùn)行頻率為 6 MHz 的微控制器供電，結(jié)果如下：

　　32 位微控制器：360 萬次迭代或 100 小時(shí)使用壽命

　　16 位微控制器：120 萬次迭代或 33 小時(shí)使用壽命

　　8位微控制器：43.2萬次迭代或12小時(shí)壽命

　　結(jié)論

　　隨著電池供電嵌入式設(shè)備的普及，能耗已成為一個(gè)特別關(guān)鍵的設(shè)備參數(shù)。錯(cuò)誤地獲取此規(guī)范可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在市場(chǎng)上徹底失敗。不幸的是，微控制器數(shù)據(jù)表幾乎沒有提供真實(shí)的功率信息。使 CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試對(duì)性能測(cè)量具有吸引力的特性也使其成為比較不同微控制器的實(shí)際功耗的有用應(yīng)用程序。雖然絕對(duì)電池壽命估計(jì)需要使用實(shí)際目標(biāo)應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試，但 CoreMark 基準(zhǔn)測(cè)試可以幫助在設(shè)計(jì)周期的早期做出關(guān)鍵的微控制器決策，遠(yuǎn)在目標(biāo)應(yīng)用程序準(zhǔn)備好之前。