智能休眠節(jié)省每一微瓦

　　ARM Cortex-M處理器的Sleep-on-Exit（中斷完成時(shí)直接進(jìn)入休眠）是另一項(xiàng)“一箭雙雕”的功能，可同時(shí)節(jié)省CPU周期和能耗。這點(diǎn)在由中斷所驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中格外有用，因?yàn)樘幚砥鞯拇蟛糠謺r(shí)間不是在執(zhí)行中斷處理，就是在中斷事件之間休眠。在進(jìn)入中斷服務(wù)例程（ISR）時(shí)，MCU必須花費(fèi)好幾個(gè)指令周期把當(dāng)前線程狀態(tài)入棧，然后在退出中斷處理返回時(shí)恢復(fù)原有線程狀態(tài)，即“出棧”。當(dāng)應(yīng)用需要處理器在退出ISR后直接進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)MCU仍然必須恢復(fù)原先存儲(chǔ)的狀態(tài)信息，然后線程代碼才能讓MCU進(jìn)入休眠狀態(tài)。同樣地，當(dāng)下次的中斷喚醒MCU時(shí)，它的狀態(tài)必須再次入棧。

　　而當(dāng)使能ARM Cortex-M微控制器上的Sleep-on-Exit功能后，MCU就會(huì)在中斷處理完成后直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，而不用先返回到原有線程上（見圖4）。這會(huì)使處理器仍然保持在中斷狀態(tài)，因?yàn)橄藛拘言偃霔＿^(guò)程，因而節(jié)省下許多寶貴的機(jī)器周期。消除入棧出棧過(guò)程既節(jié)省了時(shí)間也節(jié)省了能耗，否則電能就會(huì)被不必要的指令周期白白消耗，也包括哪些傳統(tǒng)MCU在休眠和喚醒之間管理堆棧的代碼。而且，當(dāng)處理器被中止調(diào)試請(qǐng)求（Halt Debug Request）喚醒時(shí)，出棧過(guò)程將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行。

　　圖4：ARM Cortex-M的Sleep-on-Exit功能通過(guò)避免不必要的代碼執(zhí)行和減少出棧入棧操作降低功耗

　　ARM Cortex-M4運(yùn)行更快、休眠功耗更低

　　像許多MCU一樣，Cortex-M3/4處理器通常能夠采用高時(shí)鐘速率的方法在中斷驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中節(jié)省能耗。如果處理器大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，這種看似違背直覺但普遍采用的節(jié)能策略就會(huì)很好，因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間減少所節(jié)省的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于稍高的操作電流。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多花10%的電可以省掉 20%的時(shí)間，總體來(lái)說(shuō)是節(jié)能了。

　　這種技術(shù)可以應(yīng)用在任何Cortex-M系列的處理器上，而涉及密集運(yùn)算任務(wù)的應(yīng)用也能從Cortex-M4處理器的額外能力中受益。它的單周期DSP指令和可選的浮點(diǎn)加速器能大大減少諸如數(shù)字信號(hào)處理、過(guò)濾、分析或波形合成等功能所需要的執(zhí)行周期數(shù)。

　　上面提及的節(jié)能特性也能帶來(lái)其它優(yōu)勢(shì)。例如，在超音波/聲學(xué)水表之類的應(yīng)用中，它們必須在小電池供電下運(yùn)行多年，需要MCU盡可能長(zhǎng)的保持在休眠狀態(tài)。除了有助于減少M(fèi)CU喚醒時(shí)間之外，Cortex-4 DSP和浮點(diǎn)算術(shù)指令也能使用成熟的濾波功能從廉價(jià)聲學(xué)傳感器輸出中獲得所需的信息，從而避免采用昂貴的超聲波流量傳感器。在這個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，Wonder Gecko MCU的外設(shè)還能夠作為模擬狀態(tài)機(jī)提供額外的能量節(jié)省，它僅僅在需要時(shí)才喚醒Cortex-M4處理器。

　　雖然并不完備，但這些林林總總的秘訣與妙方應(yīng)該能讓各位產(chǎn)生好的思路，可以在下一次設(shè)計(jì)中充分利用Cortex-M系列中一些較不為人知的特性所帶來(lái)的好處。為了發(fā)揮ARM Cortex-M系列的這些和其它重要功能，可參考本文末段的參考資料，它們提供了所需的更多細(xì)節(jié)。