你不得不知的Cortex-M3和M4微控制器使用秘诀

可搭配energyAware Profiler工具6中的程序代码追踪功能。图3显示了如何让设计人员精确定位到哪个程序功能块最耗费能源，并且能够快速调试其它与能源有关的问题。

　　图3：软硬件工具精确定位耗能最大的功能，无需示波器和万用表，快速排除问题。

　　智能休眠节省每一微瓦

　　ARM Cortex-M处理器的Sleep-on-Exit（中断完成时直接进入休眠）是另一项"一箭双雕"的功能，可同时节省CPU周期和能耗。这点在由中断所驱动的应用中格外有用，因为处理器的大部分时间不是在执行中断处理，就是在中断事件之间休眠。在进入中断服务例程（ISR）时，MCU必须花费好几个指令周期把当前线程状态入栈，然后在退出中断处理返回时恢复原有线程状态，即"出栈"。当应用需要处理器在退出ISR后直接进入休眠状态时，传统MCU仍然必须恢复原先存储的状态信息，然后线程代码才能让MCU进入休眠状态。同样地，当下次的中断唤醒MCU时，它的状态必须再次入栈。

　　而当使能ARM Cortex-M微控制器上的Sleep-on-Exit功能后，MCU就会在中断处理完成后直接进入休眠状态，而不用先返回到原有线程上（见图4）。这会使处理器仍然保持在中断状态，因为消除了唤醒再入栈过程，因而节省下许多宝贵的机器周期。消除入栈出栈过程既节省了时间也节省了能耗，否则电能就会被不必要的指令周期白白消耗，也包括哪些传统MCU在休眠和唤醒之间管理堆栈的代码。而且，当处理器被中止调试请求（Halt Debug Request）唤醒时，出栈过程将会自动进行。

　　图4：ARM Cortex-M的Sleep-on-Exit功能通过避免不必要的代码执行和减少出栈入栈操作降低功耗。（引自：《The Definitive Guide to the ARM Cortex-M31》）

　　ARM Cortex-M4运行更快、休眠功耗更低

　　像许多MCU一样，Cortex-M3/4处理器通常能够采用高时钟速率的方法在中断驱动的应用中节省能耗。如果处理器大部分时间处于休眠状态，这种看似违背直觉但普遍采用的节能策略就会很好，因为运行时间减少所节省的能耗远远大于稍高的操作电流。简单来说，多花10%的电可以省掉20%的时间，总体来说是节能了。

　　这种技术可以应用在任何Cortex-M系列的处理器上，而涉及密集运算任务的应用也能从Cortex-M4处理器的额外能力中受益。它的单周期DSP指令和可选的浮点加速器能大大减少诸如数字信号处理、过滤、分析或波形合成等功能所需要的执行周期数。

　　一些应用仅仅需要DSP处理能力。例如，有些安全系统采用一种以声学分析来感测玻璃破损的装置。玻璃破损时会发出一连串独特的声音和振动，并且在玻璃特有的固有频率时达到最大，在这个例子中是13kHz。大多数采用传感器接口的系统只有在所监测的频率被监测到时，才唤醒处理器。但是当设计中使用带DSP功能的Cortex-M4时就能额外节能，因为它在执行实际的玻璃破损分析时比软件解决方案更快。

　　甚至，这些使用基于M4微控制器的应用可以更加节能，因为MCU中所包含的高级休眠模式和自治外设可以在CPU休眠时执行许多日程任务。例如，以Cortex-M4为内核的Wonder Gecko MCU7具有五种不同的低功耗模式，包括20nA的关机状态和950nA的深度休眠模式（实时时钟有效、RAM和寄存器内容保持、使能掉电检测）。

　　上面提及的节能特性也能带来其它优势。例如，在超音波/声学水表之类的应用中，它们必须在小电池供电下运行多年，需要MCU尽可能长的保持在休眠状态。除了有助于减少MCU唤醒时间之外，Cortex-4 DSP和浮点算术指令也能使用成熟的滤波功能从廉价声学传感器输出中获得所需的信息，从而避免采用昂贵的超声波流量传感器。在这个应用实例中，Wonder Gecko MCU的外设还能够作为模拟状态机提供额外的能量节省，它仅仅在需要时才唤醒Cortex-M4处理器。

　　结论

　　虽然并不完备，但这些林林总总的秘诀与妙方应该能让各位产生好的思路，可以在下一次设计中充分利用Cortex-M系列中一些较不为人知的特性所带来的好处