（计算机系统结构专业论文）emwifi低功耗技术研究与应用.pdf

】9 i5 l32 d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e ei n2 01 1s c h o o lc o d e ：10 2 6 9 n u m b e r ：5 1 0 8 1 2 0 1 0 1 3 l i i iiii lli ii ii l ll lliii y 18 4 7 0 8 5 e a s tc h n o r m a l r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fe m w i f i l o w p o w e rt e c h n o l o g i e s l u o r ： s p e c i a it y ： n 玎o r ： s t u d e n t ： s h e nj i a n h u a o c t o b e r , 2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文 e m w i f i 低功耗技术研究与应用，是在华东师范 大学攻读硬髟博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：二o l o 年1 1 月 占日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 e m w i f i 低功耗技术研究与应用系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指 导下完成的硕拶博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本 人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如 国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华 东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学 位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印 或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部或“涉密学位论文簟， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 l 一卫 名 签 比 心 如 硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 华东师范大学 张卫教授主席 计算机科学技术系 华东师范大学 王荣良副教授 计算机科学技术系 华东师范大学 邵时副教授 计算机科学技术系 论文摘要 论文摘要 随着世界环境问题的日益严峻，绿色计算成为信息技术领域的重要组成部分。另一 方面，全球消费者对尺寸更小、功能特色更丰富，同时电池寿命更长的便携式装置的迫 切需求，让功耗问题成为信息技术领域，特别是嵌入式设备领域的一个技术热点。如何 合理的降低系统功耗，不但可以为人类的可续发展做出重要贡献，而且可以大大拓宽嵌 入式系统的应用前景。本论文中主要研究的是嵌入式w i f i 设备的功耗降低。w i f i 作 为一种无线传输技术具有灵活方便的特点，十分符合嵌入式设备的应用特征，但使用 w i f i 无线技术意味着将产生更大的功耗，这无疑大大制约了其应用范围。 本论文旨在研究低功耗技术在嵌入式w i f i 设备上的应用，以硬件的自身特性为基 础，挖掘硬件在功耗降低方面的潜能，包括硬件本身提供的各种低功耗模式，硬件不同 工作状态下的能耗等，将各种软件功耗优化方式做为研究重点，包括动态电源管理、动 态频率、低功耗软件设计，协议栈功耗优化等。首先分析各种低功耗技术对功耗及性能 的影响，进一步对各种功耗优化方式进行组合，研究分析各种方式配合的效果，结合实 际应用的需求，诸如稳定性，响应速度，功耗等，得出了具有一定通用性的，针对嵌入 式w i 。f i 设备的功耗优化方案。 测试验证了这些功耗优化方案能够达到实际应用要求，并具有很好的稳定性和通用 性。 关键词：低功耗技术；动态电源管理；动态频率；w i f i ， a b s t r a c t a st h ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sa r ei n c r e a s i n g l ys e d o n s ，g r e e nc o m p u t i n gb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n ti nt h ea r e ao fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y o nt h eo t h e rh a n d ，t h eg l o b a lc o n s u m e l su r g e n t l yp u r s u et h ep o r t a b l ed e v i c e sw h i c ha r es m a l l e r ，m o r ea b u n d a n tf e a t u r e sa n dl o n g e r b a t t e r yl i f e s op o w e ri s s u e sa r eb e c o m i n gat e c h n o l o g yh o ts p o ti nt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yf i e l d ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fe m b e d d e dd e v i c e s r e d u c i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o nc o u l d n o to n l ym a k ei m p o r t a n tc o n t r i b u t i o n st os u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t , b u ta l s oc o u l u dg r e a t l y e x p a n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m i nt h i sp a p e rw em a i n l ys t u d yt h e p o w e r - s a v ef o re m b e d d e ds y s t e mw i t hw i - f i w i - f ia saw i r e l e s st r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y 丽t l laf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n tf e a t u r e sh a sg r e a ta p p l i c a t i o nf u t u r e ，b u tt h eu s a g eo fw i f i w o u l dc o n s u l r l eal o to fp o w e r t h es c o p eo fw i f ia p p l i c a t i o ni sg r e a t l yr e s t r i c t e db yt h e p o w e rc o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e rw es t u d yt h ea p p l i c a t i o no fw i f ii nt h el o w - p o w e re m b e d d e ds y s t e m s b a s eo n t h ef e a t u r e so ft h eh a r d w a r e ，i n c l u d i n gt h el o w - p o w e rm o d e s ，t h ep o w e rc o m s u m i n gi n d i f - f e r e n tf r e q u e n c ya n ds oo n ，w es t u d yt h el o w - p o w e rp o t e n t i a lo ft h eh a r d w a r e w es t u d y s o f t w a r em e t h o r d st or e d u c et h ep o w e rc o m s u m i n gf u r t h e r , i n c l u d i n gd y n a m i cp o w e rm a n - a g e r m e n t ，d y n a m i cf r e q u e n c y ，l o wp o w e rs o f t w a r ed e s i g n , p r o t o c o ls t a c ko p t i m i z a t i o na n ds o o n f i r s t l y ，w es t u d yt h ep o w e rc o n s u m i n ga n dt h ee f f e c t i o nt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h e m e t h o r di n d i v i d u a l l y a n dt h e nw eg r o u pt w oo rm o r em e t h o r d sa n dr e c o r dt h e p o w e r c o u m s i n ga n dp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m f i n a l l y ，w ed e s i g nas o l u t i o no ne m b e d d e ds y s t e m w 池w i f iw h i c hi sk i n do fu n i v e r s a la n dc a nf i tf o rt h er e q u i r e m e n t so fa p p l i c a t i o n s t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tt h o s es o l u t i o n sa l eu n i v e r s a l ，s t e a d ya n de f f i c i e n t t h e y c a ns a t i s f yt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d ：l o w - p o w e rt e c n o l o g y , d y n a m i cp o w e rm a n a g e r m e n t , d y n a m i cf r e q u e n c y , w i f i n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 论文研究的背景1 1 2国内外研究现状2 1 3 论文研究目标和意义2 1 4 论文的主要工作2 第二章低功耗技术简介4 2 1功耗q l 2 1 1 功耗的由来4 2 1 2 影响系统功耗的因素4 2 2 低功耗技术简介5 2 2 1 动态电源管理5 2 2 2 动态电压缩放6 2 2 3 低功耗硬件设计6 2 2 4 低功耗软件设计7 第三章硬件平台简介一8 3 1平台概述8 3 2s n 仍2 系列微控制器。8 3 2 1s t m 3 2 基本特征8 3 2 2s t m 3 2 时钟特性9 3 2 3 s t m 3 2 外围设备功耗介绍1 0 3 2 4s t m 3 2 低功耗模式【1 5 ，1 6 1 11 3 3 8 8 w 8 6 8 6 无线射频芯片1 5 3 3 1 8 8 w 8 6 8 6 电源管理控制1 9 3 4 实验平台简介2 0 3 5 测试平台简介2 l 3 5 1 测试平台组成2 2 第四章低功耗技术分析与实现2 4 4 1 低功耗技术分析2 4 4 1 1动态频率2 4 4 1 2 动态电源管理2 5 4 1 3 降低系统数据交换量2 6 4 2低功耗技术实现2 6 4 2 1 动态频率2 7 4 2 2 动态电源管理3 0 4 2 3 降低系统数据交换量3 9 4 3 功耗技术分析与实现总结4 0 第五章应用模式设计与测试4 1 5 1 应用模式设计4 1 5 1 1 功能需求分析4 l 5 1 2 应用模式4 3 5 2 应用模式测试4 4 5 2 1 测试环境及测试说明4 4 i i i 目录 5 2 2 应用模式测试功耗测试4 5 5 2 3 组合应用模式测试4 6 第六章总结与展望4 8 6 1 总结4 8 6 2 未来的改进与构想4 8 附录5 0 a 攻读学位期间发表的论文5 0 b 论文表目录5 l c 论文图目录5 2 参嗜文献5 3 j 目【谢5 4 i v 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 第一章绪论 现如今全球有数以亿计的电子产品，如计算机，手机等，这个数目仍在不断地增加。 很多时候，这些设备在不使用的情况下依然处于运行状态，这就虚耗了大量的电能。1 9 9 2 年美国环保署( e p a ) 就发起了名为“能源之星”的计划，主要宗旨在于鼓励厂商生产制造 节省能源的个人电脑监视器、打印机等，以降低因发电所造成的空气污染。随着当前世 界环境问题的日益严峻，绿色计算成为信息技术领域的重要组成部分。 绿色计算，也叫绿色信息技术，指的是以环境可持续发展为目标的信息技术，在前 瞻绿色信息技术：原理与实践一文中，s a nm u r u g e s a n 将绿色计算领域定义为：研究并 实现一种方法，它可以高效的设计，维护，使用，处理计算机，服务器及其周边设备， 比如，监视器，打印机，存储设备，网络，运算系统等，同时尽可能小的甚至不对环境 造成破坏。绿色计算的目标和绿色化学相似，旨在降低有害原料的使用，降低产品生命 周期内的能源消耗，促进循环利用以及促进废弃产品和工厂的废弃物生物降解【l 】。 无线通讯技术己经成为公认的新兴前沿热点研究领域，并被认为是将对2 l 世纪产生 巨大影响力的技术之一。在无线通讯领域，w i f i 是近年来研究和应用的一个热点。w i f i ， 确切的说是i e e e 8 0 2 1 1 ，是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网 接入的无线电信号【2 , 3 】。从1 9 9 7 年第一个i e e e 8 0 2 1 1 版本发布至今，w i f i 已经日趋成熟， 应用场合十分广泛，诸如公共场合无线接入，无线监控系统( 无线摄像头) 以及各种手 持设备( 手机，平板电脑) 的网络接入等。w i f i 作为一种无线传输技术具有灵活方便 的特点，现己广泛的应用于嵌入式设备当中。 在嵌入式设备领域，消费者对设备的要求从原来的高性能、小体积进一步上升为对 性能、体积和功耗的综合考量。面对消费者对性能更强，体积更小，能耗更低的设备的 强烈需求，全球芯片厂商推出了各自高性能，低功耗芯片解决方案，比如意法半导体推 出的s t m 3 2 系列m c u 。这些解决方案的推出，对嵌入式设备的低功耗设计提供了优良 的硬件基础。尽管如此，对于设计者而言，如何在嵌入式产品设计中平衡性能与功耗， 如何将设计变的更简便，仍是设计中的重点和难点，尤其是带有w i f i 功能的产品，因 为无线射频模块功耗较大，无疑更增加了设计的难度。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 在功耗优化方面，国内外研究者普通关注的是硬件功耗优化，应用各种技术降低硬 件功耗，这其中包括芯片级和电路板级的设计【4 】。在芯片级设计中，目前世界各大芯片 生产厂商已针对不同的应用需求，设计了多种不同的功耗解决方案，超低功耗解决方案 有德州仪器公司出品的m s p 4 3 0 系列，意法半导体公司出品的s t m 8 系列等，低功耗解 决方案有意法半导体公司出品的s t m 3 2 系列等；在电路板级设计中，相比芯片级设计 其功耗降低和电源管理更为复杂，多路电源，多重电压轨和不断变化的电压都使得电源 管理复杂化。但值得注意的是根据研究表明，具有动态电源管理功能的系统，功耗会显 著的降低，这种系统只有在需要时才会处于正常工作状态，其余时刻均处于低功耗的状 态【5 1 。因此在实际的应用中，在选择较低功耗硬件基础上，重点应放在具有动态电源管 理的系统设计上，针对应用需求和应用场合，能更简便有效地降低系统的功耗。 在嵌入式w i f i 系统功耗研究方面，国外尚处于起步阶段，技术相对领先的仅有美 国的g a i n s p a n 公司和以色列的c o n n e c to n e 公司1 6 】，他们的产品中也没有实现动态电源 管理等技术。除此之外，其余功耗优化方面的研究成果多是在模拟条件下获得，缺乏实 际应用支持，其可行性和应用性都有待验证。 1 3 论文研究目标和意义 全球环境问题和能源短缺问题日益严重，在信息技术领域绿色计算越来越重要，降 低电子产品的污染和能源消耗关系到整个人类社会的可持续发展。另外全球消费者对于 电子产品的便携性越来越重视，在嵌入式系统中，随着w i f i 技术广泛应用，系统的移 动性大幅提高，在方便使用的同时，由于无线射频模块的功耗较高，电池技术尚没有进 一步的发展，在相同电量下如何尽可能延长设备使用时间，是设计者面临的一个难题。 本文主要针对嵌入式w i f i 设备，研究各种低功耗设计方法，主要着眼于动态电源 管理系统的设计，结合实际的硬件平台，实现并测试验证各种低功耗方法的实际应用效 果。 1 4 论文的主要工作 论文的主要工作包括以下几点： 1 针对目标嵌入式w i f i 系统，研究并实现与之相适应的各种低功耗技术，如动态 电源管理，动态处理器频率控制等，并测试各种低功耗技术在目标平台上的实 2 第一章绪论 际功耗降低效果。 2 基于实际硬件平台功能特性，针对各种应用需求，考量性能、响应、功耗三方 面应用指标来设计不同的低功耗应用模式，满足不同的应用需求。 3 第二章低功耗技术简介 2 1 功耗 第二章低功耗技术简介 本节中介绍功耗如何产生以及与系统功耗相关的一些因素。 2 1 1 功耗的由来 半导体制造工艺有两种：c m o s 和t t l 。当前大部分的嵌入式处理器都是使用c m o s 工艺制成的。而我们知道任何复杂的电子系统都是以简单门电路作为基础来组成的。 c m o s 设备中就是通过两个m o s 晶体管( n 型和p 型) 的电路切换来表示0 和1 。 当c m o s 中的门电路切换逻辑电平时，n 型和p 型晶体管会同时打开一段时间，此时 电流会通过这两个晶体管从电源线流到地线。由公式： p = 1 2 r 其中，p 为功率；伪当前电流；尺为电阻大小。可知当有电流流动的时候，就意味着电 能的消耗，同时还有发热。当嵌入式处理器运行速度越快，门电路切换就越频繁，功耗 就越大。 7 , 8 1 2 1 2 影响系统功耗的因素 影响系统功耗的因素很多，在大部分电子系统中，产生功耗的主要部件是集成电路， 其功耗取决于电路的基底技术、封装密度、供电电压、工作频率、外部环境、电路的性 能指标、接口技术等。对于集成电路，其功耗主要包含：开关功耗、短路功耗、静态功 耗、漏电功耗。【7 】 1 开关功耗是对电路中的电容充放电造成的。其计算公式为： p d y a 口仇 c = 口c 嗡厂 其中，口为活动因子；c 为充放电电容；v d d 为电源电压：厂为开关频率。这里解释一下口，它 表示电容充放电的次数与开关频率的比值。 2 短路功耗是在开关时由电源到地形成的通路造成的。其计算公式为： b c = k w z f 其中，提工艺和电压共同决定的；w 为晶体管宽度；t 为输入信号上升下降的时间；厂是 工作频率。 3 静态功耗是指在电路稳定时由电源到地的电流所形成的功耗。 4 第二章低功耗技术简介 4 漏电流功耗是由亚阈值电流和反向偏压电流造成的。 目前集成电路以静态c m o s 为主，在这类电路中开关功耗是整个电路功耗的主要组 成部分。其次是短路功耗，另外两种：静态功耗和漏电流功耗在大多数情况下可忽略。 2 2 低功耗技术简介 为了满足降低功耗这一特性，必须在设计的每一个阶段都将降低功耗考虑在内。为 了定量化的分析功耗，首先描述一下系统设计依据的一个能量公式： p = v z ? 厂? c + b c 口t l c 其中，v 2 7 ? c 是动态功耗，基本由设计者控制；b c 口c f c 与集成电路的静态电流有关， 取决于元件的特性、温度及供给的电压；哟工作电压；属工作频率；c 是电容负载；“? ”表 示功耗不与其中的因素成正比，但这些因素越大( y 2 、厂、c ) ，功耗也越大。 由上述公式中的矿2 7 厂? c ，也就是动态功耗部分可知，功耗与电压的平方有很大关系， 因此，只需轻微降低电压就可显著地减少功耗。同时功耗也与厂有关，当操作频率趋近0 时，动态功耗也趋近于o ，因此处理器的速度应与应用需求相符，否则会造成没有必要 的功耗。最后电容及器件的选择对功耗也有影响。 综上所述，我们可以使用以下4 种功耗优化技术来降低系统功耗。这4 种优化技术分 别为：动态电源管理、动态电压缩放、低功耗硬件设计、低功耗软件设计。 2 2 1 动态电源管理 动态电源管理( d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t ，d p m ) 是指有选择的把闲置的系统部 分置于低功耗状态，从而有效地利用电能。简单的说，动态电源管理是指系统在需要的 时候才产生功耗。但并不等同于不工作时断电，而应该是在需要时能快速的从一种低功 耗状态恢复到正常工作状态。【5 ，9 】目前大部分的芯片中都设计有低功耗模式供设计者选 择，另外更有一些专门以低功耗为应用目标的超低功耗芯片，如德州仪器公司出产的 m s p 4 3 0 系列，意法半导体公司出品的s t m 8 系列。以芯片的低功耗模式为基础，动态 电源管理自主的判断系统当前的运行状态，当处于空闲时，进入某个合适的低功耗模式， 需要运行时，从低功耗模式退出，恢复到正常运行状态。仅从运行状态来讲，动态电源 管理并没有降低这个过程中的电源消耗，但从整个运行过程中来看，其平均功耗得到了 明显的改善。 综上所述，一个动态电源管理系统是一个软件架构级的设计和优化工程的产物，将 系统结构划分成紧凑的模块，尽可能的缩小运行时间，延长休眠时间，从而降低平均功 第二章低功耗技术简介 耗。 动态电源管理基于以下假设： 系统各个部分工作负载不同。 系统各个工作时刻的负载不同。 系统的工作负载可预测。 一个电源管理系统的核心是电源管理器，它能够基于对工作负载的观察来完成控制 策略，例如简单的策略可以使某一部分不工作时，关闭供电或者置成省电状态。该策略 可采用不同的方法来实现，如计时器、硬件控制器或软件控制等。 2 2 2 动态电压缩放 动态电压缩放是基于器件工作电压越高，功耗越高的原理。因此动态电压缩放就是 运行电压调节器在运行时改变c p u 的操作电压。电压调节器首先分析系统状态，然后决 定最佳的工作电压。 另一个减少功耗的渠道是降低时钟频率。首先看公式： 。p i 船帆c t i d t l 。 ( 厂x c f r c l e ) 其中e 为功耗；p 为系统功率；m 船讹c c o n 为系统需要执行的总指令数；c 扣c z p 为每 个时钟周期执行指令数。降低时钟频率可以降低p ，但是因为时钟频率的降低， f 船咖c 咖孔c f c f r c f e ) 相应增大，因此虽然这种方法可减少电源功耗，但并不能显著 地降低功耗。 2 2 3 低功耗硬件设计 计： 低功耗硬件设计基于低功耗硬件选择的设计，有以下两种选择来实现低功耗硬件设 ( 1 ) 低功耗处理器选择 除了前面提到过的各种超低功耗处理器外，目前大部分嵌入式处理器都针对功 耗进行了优化并提供了各种低功耗解决方案，因此在低功耗处理器上我们有大量的 选择。 ( 2 ) 低功耗外部器件选择 嵌入式系统除了处理器以外，还包括一些数字逻辑器件来将处理器和其他子系 统组合在一起。选择合适的低功耗器件，可以对应对一般微处理器的应用。 6 第二章低功耗技术简介 2 2 4 低功耗软件设计 嵌入式系统的功耗与硬件相关，但同时也有软件的因素，就像汽车的耗油量既与汽 车本身设计相关，又与驾驶者的驾驶技巧有关。 引起c p u 电源消耗的众多因素中，存储系统的设计对降低功耗也有很大的影响。通 常，存储器运行有两种状态，读写状态和待机状态，其中待机状态功率很小，读写状态 功率较大。 基于这一点，要降低系统的功耗可以考虑如下方面： ( 1 ) 程序存取模式。程序存取模式对系统的缓存性能影响很大，不合理的存取将导 致大量缓存未命中的情况，对存储器的访问会相应增加。 ( 2 ) 并行存储。将数据并行的存储的到多个独立内存上，可以提高系统性能，同时 可以降低功耗，比如p c 上使用的内存双通道技术。 ( 3 ) 代码压缩技术。代码压缩可以减少存取的指令数，降低缓存未命中的可能性， 这就减少了存储器的存取操作。 ( 4 ) 源码级功耗优化。源码级功耗优化是指通过选择实现同一功能的不同语句，来 达到功耗优化。这是因为同样实现一种功能的语句比如二元选择功能，i f e l s e 语句和三目运算符? ：在执行时功耗就不同，通过选择较低的语句实现同一功能， 可以节省一定的功耗。因此针对某一平台测试各种语句的功耗，可以为软件功 耗设计提供有效的设计依据。 1 0 - 1 2 】 7 第三章硬件平台简介 3 1 平台概述 第三章硬件平台简介 本章介绍进行低功耗技术研究和实现的实验平台及进行测试的测试平台。 我们将要研究和实现的低功耗技术将建立在实验平台之上，该实验平台为一个嵌入 式w i f i 平台，其m c u 为s tm i c r o e l e c t r i c i t y 出品的s t m 3 2 f 1 0 3 ，无线射频芯片为 m a r v e l l 出品的8 8 w 8 6 8 6 ，之所以选择这个平台，除了看重其低功耗方面的优良设计， 另外其应用的广泛性也是我们选择它的重要原因。测试平台作为实验平台的载体，其 m c u 同样为s tm i c r o e l e c t r i c i t y 出品的s t m 3 2 f 1 0 3 ，可以控制实验平台的供电，测试 其功耗及功能完整性等。 3 2 s t m 3 2 系列微控制器 s t m 3 2 系列基于为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的a r m c o r t e x m 3 内核。在下面章节中将介绍s t m 3 2 的基本特征和它的低功耗模式。 3 2 1s t m 3 2 基本特征 s t m 3 2 系列芯片性能强劲，拥有如下特征【1 3 】： 采用a r m 先进架构的c o r t e x m 3 内核。 哈佛结构。 t h u m b 2 指令集。 1 2 5 d m i p s m h z 。 单周期乘法指令和硬件除法指令。 内置快速的中断控制器，实时特性优越，特别是使用中断将芯片从低功耗模式 唤醒仅需6 个c p u 周期。 创新的外设。s t m 3 2 采用两路高级外设总线( a p b ) 结构，其中一路高速a p b ， 最高可获得同c p u 相同的运行频率，使连接到该总线上的外设获得更高的运行 速度。 丰富的开发工具。 优良的功耗控制，每m n z 仅o 1 9m w 的能耗。 8 第三章硬件平台简介 3 2 2s t m 3 2 时钟特性 在本节中我们将着重介绍s t m 3 2 的时钟特性，时钟是驱动内核和外设运行的根本。 在保证系统功能正常执行的前提下，通过合理的方式调节时钟的频率，从而改变系统的 运行速率，可以有效的降低功耗。图3 1 为s t m 3 2 的时钟树状结构，通过该图可以明 确s t m 3 2 各个时钟的相互关系以及基本作用。 图3 1s t m 3 2 时钟关系 1 s t m 3 2 时钟简介 s t m 3 2 的系统时钟( s y s c l k ) 可由三种不同的时钟源来驱动： 高速内部振荡器时钟。 高速外部振荡器时钟。 p l l 时钟。p l l 是用来倍频高速内部振荡器的输出时钟或高速外部振荡器的输 出时钟。 9 第三章硬件平台简介 另外在s t m 3 2 中还有两个时钟源： 4 0 k h z 低速内部振荡器，可以用于驱动独立看门狗和通过程序选择驱动实时时钟。 实时时钟主要用于从停机模式和待机模式下自动唤醒系统。 3 2 7 6 8 k h z 低速外部振荡器也可用来通过程序选择驱动实时时钟。 当不被使用时，任一个时钟源都可被独立地启动或关闭，由此来优化系统功耗。【1 4 】 2 s t m 3 2 不同频率下的电流 在不同工作频率下，s t m 3 2 具有不同的电流，通过改变工作频率，我们可以降低 s t m 3 2 的工作电流以实现降低功耗的目的。 表3 1 运行模式的功耗特性( 代码从f l a s h 执行) 1 s l 最大值 参量条件系统时钟单位 8 5 1 0 5 1 2 7 2 眦z4 54 6 外部时钟以及 4 8 m h z3 23 3 所有外设处于 3 6 m h z2 62 7 2 4 m h z1 81 9 使能状态 1 6 m h z1 31 4 8 m h z78 运行模式下电源电流 m a 7 2 m h z3 03 l 外部时钟以及 4 8 m h z2 32 4 所有外设处于 3 6 m h z1 92 0 2 4 m h z1 31 4 禁用状态 1 6 m h z1 01 1 8 m h z67 3 2 3s t m 3 2 外围设备功耗介绍 s t m 3 2 中提供了丰富的外设供设计者使用，除了了解外设的功能，其功耗状况也是 我们需要了解的，根据应用需求在功能允许的前提下选择功耗较低的外设，可以有效降 低系统的运行时功耗。 表3 2 中为s t m 3 2 中各个外设的功耗状况： 表3 2s t m 3 2 各外设功耗一览 外设在2 5 0 c 时典型功耗单位 t i m 2 1 2 t i m 3 1 2 s p l 2o 4 3 a p b lu s a i u 、2 0 3 5m a 1 2 c 0 3 9 u s b o 6 5 c a n o 7 2 a p b 2 g p i o a 0 4 7m a 1 0 第三章硬件平台简介 g p i o b0 4 7 g p i o c0 4 7 g p i o d 0 4 7 a d c l ( b )1 8 l a d c 21 7 8 t m l1 6 s p l l0 4 3 u s a r t l0 8 5 乱 f m u t = 7 2 m h z ，k 瞰= “2 ，f a p 畋= f h c l k 每个外设使用默认的预分频值。 b a d c 特殊条件：f x o x = 5 6 m i - i z , 懈l = f r o - i x 2 ，f p b 2 = f x c t x ，f m ) c c t j m = 2 4 ，a d c _ c r 2 寄存器中的a d o n 位被置为1 从上表中我们可以看到通过选择不同外设，确实可以降低功耗，同时也提醒我们不 使用的外设应关闭，在外设全部开启，7 2 m h z 全速运行s t m 3 2 的功耗大约为3 0 m a ， 一个g p i o 就占到了整个功耗的1 6 ，因此关闭不必要的外设可以降低功耗。 到目前为止，我们介绍了s t m 3 2 时钟及外设的情况，在普通运行模式下，通过关 闭不必要时钟和不工作外设可以降低功耗，但面对更为苛刻的低功耗需求，就需要使用 s t m 3 2 的低功耗模式。 3 2 4s t m 3 2 低功耗模式1 1 5 1 6 1 s t m 3 2 系列在拥有强劲性能的同时，针对实际应用中各种不同的功耗需求，提供了 三种低功耗模式- 休眠模式、停机模式和待机模式，设计者可以根据应用需求进行合 理的功耗优化。 值得注意的是s t m 3 2 系列的低功耗模式都是通过使用c o r t e x 架构中的w f i 和w f e 指令进入的，至于进入哪一种低功耗模式，则是通过配置功耗控制寄存器来决定的。功 耗寄存器详细位设置请参阅参考文献【1 4 1 。 下面将重点介绍s t m 3 2 的低功耗功耗模式，比较它们的能耗和唤醒时间等指标。 1 休眠模式 如果将s t m 3 2 的低功耗模式分为三级的话，第一级，也可以说是基础级或入门级， 就是休眠模式。在休眠模式下，s t m 3 2 将停止其内核时钟且不再执行应用程序代码， 但其余的所有部分仍处于运行状态，若此时系统时钟为7 2 m h z ，所有外部时钟和外设 开启的话，功耗大约为2 6 m a ，休眠模式下的详细功耗情况见表3 3 ： 表3 3 休眠模式的功耗特性 最大值 参量条件 系统时钟单位 8 5 1 0 5 休眠模式下电源电 外部时钟以及 7 2 m h z 2 62 7 所有外设处于 4 8 m h z 1 71 8m a 流 使能状态3 6 舭 1 41 5 第三章硬件平台简介 2 4 m h zl o1 l 1 6 m h z78 8 m h z45 7 2 m h z7 58 外部时钟以及 4 8 m h z6 6 5 所有外设处于 3 6 m h z55 5 2 4 m h z 4 5 5 禁用状态 1 6 f m h z44 5 8 m h z34 通常情况下s t m 3 2 芯片进入休眠模式的步骤如下所示： 1 若使用w f i 命令进入休眠模式，则需要配置唤醒内核的外设中断，通常为实时 时钟中断；若使用w f e 命令进入休眠模式，则需要配置唤醒内核的事件。 2 禁用所有外设时钟，需要开启的除外，如唤醒中断等。 3 系统时钟切换到较低频率时钟源或降低分频值。 4 执行w f i 或w f e 命令，使s t m 3 2 进入休眠模式。 这样，s t m 3 2 就进入了休眠模式，当第一步中配置的中断或事件发生时，s t m 3 2 被唤醒，需要指出的是任何中断都能够将内核唤醒。s t m 3 2 被唤醒后，内核时钟恢复， 用户代码重新恢复执行，通常情况下需要首先执行如下步骤： 1 系统时钟切换回原时钟源和分频值。 2 使能需要工作的外设。 休眠模式可以显著的降低功耗，同时唤醒条件十分宽松，适合于对某些功能需要实 时响应的应用。但对功耗有更苛刻的要求时，则需要用到停机模式。 2 停机模式 停机模式是s t m 3 2 低功耗模式的第二级，功耗进一步降低，唤醒方式更为苛刻。 在停机模式下，在1 8 v 供电区域的所有时钟都被停止，同时外部高速振荡器和内部高 速振荡器也会被关闭，但仍供电给f l a s h 、s r a m 以及外设，因此可以维持s t m 3 2 状 态，也就是说当s t m 3 2 被唤醒后可以继续执行用户代码。 停机模式下，s t m 3 2 的功耗将会从运行模式下的毫安级降到大约2 1 u a ( 一般情况) 。 另外我们将内部调压器置为一种低功耗的模式的话( 置功耗控制寄存器l p d s 位为1 ) ， 功耗将进一步被降低，达到l l u a ，停机模式下的具体功耗见表3 - 4 ： 表3 4 停机模式和待机模式的功耗特性 典型值( 2 ) 最大单位 参数说明条件 v d d b a tv d d ，、僵a tt a翻 = 2 4 v= 3 3 v = $ 5 0 c= 1 0 5 0 c s t o p 模式 调压器处于运行 下的供电模式，低速和高速 2 1 32 1 7 1 6 02 0 0u a 电流内部r c 振荡器以 1 2 第三章硬件平台简介 及高速振荡器处 于o f f 状态( 无 独立看门狗) 调压器处于低功 耗模式，低速和高 速内部r c 振荡器 1 1 3 1 1 71 4 51 8 5 以及高速振荡器 处于o f f 状态( 无 独立看门狗) 停机模式也是通过执行w f i 和w f e 进入的，因此其唤醒的方式和休眠模式类似， 也是通过一个s t m 3 2 外设产生一个中断来被唤醒。但这个中断只能为外部中断，因为 在停机模式下，其余的所有的外设中断时钟都被停止。 停机模式的进入和退出方式见表3 5 ： 表3 5 停机模式的进入和退出 停机模式说明 以下条件下执行w f i 或w f e 指令： 一置c o r t e x - m 3 系统控制寄存器中的s l e e p d e e p 位为l 一置电源控制寄存器( e w ro r ) 中的p d d s 位为0 进入模式 一设置p w rc r 中l p d s 位选择电压调节器的模式 注：为了进入停机模式，所有的外部中断的请求位( 挂起寄存器( e x t ip r ) ) 和r t c 的 闹钟标志都必须被清除，否则停机模式的进入流程将会被跳过，程序继续运行。 以下条件下执行w f i 指令： 任- - # b 部中断引线被设置为中断模式( 相应的外部中断向量在n v i c 中必须使能) 。 退出模式以下条件下执行w i r e 指令： 任一外部中断引线被设置为事件模式。 外部中断线发生状态改变时，s t m 3 2 从停机模式被唤醒。 休眠模式和停机模式下，状态都会被保存，因此唤醒后，用户代码将继续被执行。 如果用户代码并没有时间相关性或连续性特征，并且需要更低的功耗，那么待机模式便 符合这种需求。 3 待机模式 待机模式是s t m 3 2 的最低功耗模式，在待机模式下，s t m 3 2 近乎于完全关闭，整 个1 8 v 供电区域被断电，内部调压器、高速外部振荡器和高速内部振荡器都被断电， s r a m 和寄存器内容丢失，只有备份的寄存器和待机电路维持供电。在该模式下，功耗 降至2 u a 。待机模式下的具体功耗见表3 6 ： 表3 6 待机模式的电流 典型值( 2 ) 最大单位 参数说 条件 v d d ，、，b av d d ，、，】b a t at a 明= 8 5 0 c= 1 0 5 0 c t = 2 4 vt