現(xiàn)代微控制器系統(tǒng)的超低功耗基準(zhǔn)

一個(gè)產(chǎn)品的選擇、市場(chǎng)定位和成功的一個(gè)重要因素是整個(gè)系統(tǒng)的能耗。然而，以微安 （uA） 或每兆赫茲 （uW/MHz） 微瓦 （uW/MHz） 表示效率的傳統(tǒng)方法已經(jīng)不夠用了。儲(chǔ)能系統(tǒng)既不存儲(chǔ) uA 也不存儲(chǔ) uW，而是存儲(chǔ)焦耳。

因此，比較微控制器（MCU）和片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)備的能耗成為用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，一個(gè)基準(zhǔn)是否足以為即將推出的產(chǎn)品設(shè)計(jì)選擇 MCU、MCU 系列或 MCU 制造商？公共數(shù)據(jù)表是否足夠？

這個(gè)由四部分組成的系列旨在使用 EEMBC 基準(zhǔn)測(cè)試這些問(wèn)題。

第 1 部分：超低功耗基準(zhǔn)：ULPBench-Core Profile

第 2 部分：ULPBench-Core 配置文件、EEMBC 文檔和 MCU 數(shù)據(jù)表

第 3 部分：工作溫度對(duì)能耗的影響

第 4 部分：MCU 數(shù)據(jù)表：操作模式、控制位、寄存器、電流和模式傳輸參數(shù)

過(guò)去 20 年處理器市場(chǎng)的結(jié)論是 ，運(yùn)行模式 ［1］ 和睡眠模式 ［2］ 中的低電流以及更短的運(yùn)行周期可以節(jié)省能源。這通常是適用的，但是這對(duì)客戶有什么好處呢？產(chǎn)品真的可以根據(jù)這些一般性結(jié)論進(jìn)行比較嗎？

基準(zhǔn)測(cè)試使用統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)以及標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行代碼對(duì)不同的 MCU/SoC 和生產(chǎn)線進(jìn)行比較。他們的目標(biāo)是提供透明度和可重復(fù)性，這由預(yù)定的測(cè)試向量、測(cè)試過(guò)程以及測(cè)試軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。所有基準(zhǔn)數(shù)據(jù)都應(yīng)公開(kāi)。

一個(gè)好的基準(zhǔn)測(cè)試依賴于可以在一系列 8 位、16 位和 32 位 MCU 和 SoC 上執(zhí)行的單個(gè)軟件包。為了公平比較，無(wú)論處理器架構(gòu)如何，代碼都必須相同，盡管基準(zhǔn)測(cè)試軟件的選擇會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響（圖 1）。

圖 1. 基準(zhǔn)測(cè)試的電流消耗讀數(shù)可能遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)表參數(shù)。

在本文中，我們假設(shè)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果、數(shù)據(jù)表和其他文檔能夠正確估計(jì)低功耗系統(tǒng)生命周期內(nèi)的能耗。

澄清條款

在數(shù)字領(lǐng)域，電流消耗可以細(xì)分為兩個(gè)基本類別。

動(dòng)態(tài)電流消耗用于執(zhí)行功能。

用于系統(tǒng)處于空閑或睡眠模式時(shí)的 靜態(tài)電流消耗，其中不執(zhí)行任何功能。

目前幾乎所有的低功耗 MCU 都配備了模擬外設(shè)。這些可以是集成振蕩器、電壓監(jiān)控器和上電電路，或比較器、放大器、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （ADC/DAC） 等。

這些外設(shè)在睡眠和工作模式下都具有相對(duì)較高的靜態(tài)電流需求。就本文而言，術(shù)語(yǔ)“靜態(tài)”（能量或電流）將包括與頻率無(wú)關(guān)的消耗數(shù)據(jù)和電流損耗（例如，來(lái)自泄漏的）。傳統(tǒng)上，術(shù)語(yǔ)“靜態(tài)”消耗適用于數(shù)字域在運(yùn)行期間的能源消耗，不包括其他形式的能源和電流消耗，例如泄漏電流。

EEMBC ULPBench-CoreProfile 基準(zhǔn)測(cè)試 ［3］

嵌入式微處理器基準(zhǔn)聯(lián)盟 （EEMBC） 的 ULPBench-CoreProfile （ULPBench-CP） 基準(zhǔn)測(cè)試提供了一個(gè)良好的初步方法和框架，用于可靠地測(cè)量能效，獨(dú)立于處理器數(shù)據(jù)表。ULPBench-CP 旨在驗(yàn)證具有擴(kuò)展能源需求或可用能源有限的產(chǎn)品（例如電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備）的能源效率。它還針對(duì)能量收集系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的大部分運(yùn)行壽命都處于空閑睡眠模式。在這里，待機(jī)電流很重要，因?yàn)?MCU/SoC 系統(tǒng)可以定期或異步喚醒。

大多數(shù) MCU 和 SoC 都能夠運(yùn)行 ULPBench 基準(zhǔn)測(cè)試（甚至是下一代處理器）。這允許供應(yīng)商向用戶提供比較數(shù)據(jù)，并且原則上允許設(shè)計(jì)人員在相同條件下在多個(gè)處理解決方案上驗(yàn)證他們自己的工作負(fù)載。

作為基礎(chǔ)，ULPBench-CP 基準(zhǔn)測(cè)試假定鋰紐扣電池的負(fù)載和四年的平均運(yùn)行時(shí)間。ULPBench-CP 軟件“工作負(fù)載”的執(zhí)行始于處理器的操作模式，隨后是實(shí)時(shí)模式的第二階段?！肮ぷ髫?fù)載”是可移植的，可在 8 位、16 位和 32 位 MCU/SoC 上運(yùn)行。該軟件處理能源消耗信息，對(duì)其進(jìn)行說(shuō)明，并提供基本的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

ULPBench 運(yùn)行規(guī)則

ULPBench 的一項(xiàng)要求是跨組件的硬件和軟件可移植性，這是基準(zhǔn)測(cè)試正確執(zhí)行所需的。EEMBC 提供了在 ULPBench-CP 基準(zhǔn)測(cè)試中集成這些組件的示例代碼，而 ADC、運(yùn)算放大器等其他功能可以不供電。但是，I/O 標(biāo)志必須可用。

目標(biāo)處理器板必須由 EEMBC 的 EnergyMonitor 硬件供電才能獲得有效結(jié)果。測(cè)試環(huán)境的溫度必須高于 21 °C （70 °F），并且在基準(zhǔn)運(yùn)行期間電源設(shè)置為 3 V。

測(cè)試周期（例如，由喚醒定時(shí)器生成）為一秒。精度為 50 ppm 的 32 KHz 晶體振蕩器用作ULPBench-CP 的時(shí)序參考。 如果不使用晶體振蕩器，設(shè)計(jì)人員必須說(shuō)明如何校準(zhǔn)使用的任何定時(shí)器。這是 EEMBC 認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室能夠重現(xiàn)結(jié)果的要求。

需要注意的是，更改測(cè)試周期可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并且不會(huì)根據(jù) ULPBench-CP 的透明度要求而被接受。

最終的 bin 圖像和源代碼必須上傳到 EEMBC Web 界面，以便可以驗(yàn)證基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果。

EnergyMonitor 硬件 – 為什么只有 3 V 電源？

ULPBench-CP 規(guī)定基準(zhǔn)測(cè)試第一階段的電源電壓必須設(shè)置為 3 V。這是由于 MCU 和 SoC 在較低電源電壓下消耗的能量較少，因此選擇了最小的公分母電源電壓用于基準(zhǔn)比較。由于 ULPBench 的一個(gè)重要目標(biāo)是電池供電的應(yīng)用，這有助于整合使用鋰離子電池運(yùn)行的設(shè)備的數(shù)據(jù)：

有些起始電壓為 3.3 V，工作電壓低至 2.7 V

一些從 3.0 V 開(kāi)始，在放電階段沿著這個(gè)平臺(tái)運(yùn)行

兩節(jié)堿性電池的標(biāo)稱電壓為 3 V

EEMBC 基準(zhǔn)測(cè)試團(tuán)隊(duì)正在研究增加 ULPBench-CP 測(cè)試的另一個(gè)階段以允許不同的電壓，盡管對(duì)于應(yīng)該是什么沒(méi)有共同的看法。已發(fā)布表明 MCU/SoC 產(chǎn)品系列的最低電源電壓差異很大（參見(jiàn) ［4］）。

基準(zhǔn)開(kāi)發(fā)中考慮的另一個(gè)階段是測(cè)試至少一個(gè)模擬模塊。大量 MCU/SoC 具有無(wú)法在 2.2 V 下運(yùn)行（或受限）的模擬模塊。將電源電壓降低到一定水平以下似乎很有吸引力，但也會(huì)讓用戶感到困惑：“哪個(gè)基準(zhǔn)值適合我？ ”

為什么環(huán)境溫度定義為 21 °C？

在這里，有兩個(gè)方面需要考慮。

首先，即使在不運(yùn)行代碼的情況下，今天和不久的將來(lái)的半導(dǎo)體工藝也會(huì)遭受大量能量損失（也稱為“漏電流”）。這些電流通常取決于溫度，并且在給定溫度下會(huì)迅速增加。如果在運(yùn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)溫度過(guò)高（即使偏離 21 °C （70 °F） 目標(biāo)幾度，也可能對(duì)基準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生重大影響。這使得準(zhǔn)確比較和重現(xiàn)性變得更加困難。

圖 2 說(shuō)明了基準(zhǔn)執(zhí)行期間溫度穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。電流/能耗從 0 °C 到 50 °C 穩(wěn)步上升，但在80 °C 到 85 ° C之間增加了相同的量 。換句話說(shuō)，一十分之一的溫度變化具有同樣的能量效應(yīng)。

圖 2.雖然睡眠模式下的能耗在 20 °C時(shí)相對(duì)較小，但在 85 °C 時(shí)要高得多（高出 14 倍）

在高溫下進(jìn)行精確基準(zhǔn)測(cè)量的另一個(gè)挑戰(zhàn)是讓所有經(jīng)過(guò)測(cè)試的 MCU 和 SoC 達(dá)到相同的穩(wěn)定預(yù)定溫度。MCU/SoC 是否運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)化的 PCB 上，并且在恒溫箱中具有相同的部件，這很難驗(yàn)證。

應(yīng)用程序的溫度應(yīng)產(chǎn)生溫度曲線/循環(huán)信息，并且能耗將相應(yīng)變化。稍后會(huì)更多……

EnergyMonitor 硬件——為什么不是傳統(tǒng)的測(cè)量設(shè)備？

EEMBC 的 EnergyMonitor 測(cè)試板具有寬電流測(cè)量范圍和低動(dòng)態(tài)內(nèi)部阻抗。使用感測(cè)電阻器的傳統(tǒng)電流測(cè)量系統(tǒng)幾乎無(wú)法獲得可用的結(jié)果。

能量監(jiān)視器通過(guò)電容器向負(fù)載提供能量并測(cè)量充電周期。這導(dǎo)致了一個(gè)近乎理想的能源，以及一個(gè)可以容忍電流峰值的測(cè)量系統(tǒng)。該器件還可以測(cè)量短代碼執(zhí)行情況下的能耗，例如中斷事件處理 （圖 3、4）。

圖 3.該圖在 Y 軸上顯示了以微焦耳 （μJ） 為單位的累積測(cè)量能量。X 軸以秒為單位顯示時(shí)間?；鶞?zhǔn)的描述顯示每秒兩個(gè)基準(zhǔn)代碼周期。

圖 4.該圖還顯示了隨時(shí)間變化的能量。僅顯示了一個(gè)能量包。

另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是大量使用客戶定義的能量模式，支持現(xiàn)代處理器中的電源門(mén)控。EnergyMonitor 充分涵蓋了內(nèi)部設(shè)備容量充電和放電過(guò)程，這使得該工具可以在節(jié)能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期使用。

然而，更重要的是，EnergyMonitor 的成本比傳統(tǒng)設(shè)備低得多（參見(jiàn) ［3］）。EnergyMonitor 還旨在支持未來(lái)的 ULPBench 階段，周期不到一秒。

結(jié)論

當(dāng)前的 ULPBench-CP 基準(zhǔn)測(cè)試為估算功耗提供了基準(zhǔn)，使“小電流下的短運(yùn)行時(shí)間”等聲明和 μA/MHz 等數(shù)據(jù)表參數(shù)成為過(guò)去不可靠的指標(biāo)。用戶現(xiàn)在可以請(qǐng)求基準(zhǔn)測(cè)試，例如 ULPBench-CP，或使用該工具自行測(cè)量數(shù)據(jù)。

本系列的第二部分將根據(jù)產(chǎn)品文檔和數(shù)據(jù)表檢查基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

能否從 MCU 描述和數(shù)據(jù)表中準(zhǔn)確確定能耗，以實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間？

審核編輯：郭婷