Projektowanie ukladow niskopradowych cz7, Elektronika Praktyczna, Projektowanie ukladow niskopradowych

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Projektowanie energooszczędnych układów elektronicznych
KURS
Projektowanie
Dodatkowe materiały
na CD i FTP
energooszczędnych
układów elektronicznych.
Część VII : Oprogramowanie
Przez kilkadziesiąt lat rozwoju informatyki optymalizacja
oprogramowania dotyczyła głównie wydajności i  zwięzłości kodu.
Optymalizacja pod kątem zużycia energii przez procesor jest
zagadnieniem nowym, a  zasady takiej optymalizacji dopiero
powstają. W  dziedzinie oprogramowania mikrokontrolerów
problem jest o  tyle trudniejszy, że sposoby optymalizacji muszą
być powiązane z  rozwiązaniami sprzętowymi, zastosowanymi
w  konkretnej rodzinie układów.
Dodatkowe materiały na CD i FTP:
ftp://ep.com.pl
, user:
10142
, pass:
5x7bu87r
• poprzednie części kursu
Obowiązuje zasada: przy odpowiednio dużej
częstotliwości odświeżania, zapisuje się do
portów wielokrotnie te same wartości. Od-
świeżanie jest wygodą programisty: wystar-
czy napisać procedurę odpowiednio częste-
go przesyłania stanów zmiennych do portów
wyjściowych, i można już operować tylko na
zmiennych programu. Np. jeżeli dioda LED
ma się świecić na stałe, to co za problem wy-
słać do niej stan aktywny 1000 razy na se-
kundę. Przecież CPU i tak nie ma nic innego
do roboty.
Instrukcje skoków warunkowych i bez-
warunkowych
– według profesjonalnych
programistów, używanie tych rozkazów
świadczy o braku umiejętności programowa-
nia. Muszą być pętle, wywołania podprogra-
mów i procedur. Oczywiście fakt, że proce-
sor musi przeskakiwać tam i z powrotem do
odległych obszarów pamięci w celu wykona-
nia kilku bajtów kodu nie ma znaczenia, ma
być elegancko i już.
Dobry program jest całkowicie nieza-
leżny od sprzętu
– im mniejszy komputer,
tym gorzej się sprawdza ta zasada. W mikro-
kontrolerach oprogramowanie jest zawsze
powiązane ze sprzętem. Pisanie w  języku
wysokiego poziomu jest szybkie i efektywne,
ale nie zapewnia optymalizacji energetycz-
nej.
Podstawy tworzenia aplikacji
energooszczędnych
Tradycyjne zasady tworzenia oprogra-
mowania zaowocowały tym, że na całym
świecie miliony mikrokontrolerów i mikro-
procesorów przez 90% swojego czasu pracy
nie zajmują się żadną użyteczną działalno-
ścią. W aplikacjach energooszczędnych nale-
ży zastosować nieco inne podejście do struk-
tury programu, co ilustruje kilka przewrot-
nych deinicji, które pewnie oburzą część
profesjonalnych informatyków:
Pętla główna programu
- stan, w którym
mikrokontroler wykonuje w kółko te same
zbędne operacje, czekając aż coś się wydarzy.
Odpytywanie urządzeń peryferyjnych
(
polling
) – uzasadnienie istnienia pętli głów-
nej poprzez udawanie, że procesor ma coś do
zrobienia. Obowiązuje tu zasada: im większa
częstotliwość odpytywania, tym większa
pewność, że od poprzedniego razu nic się
nie zmieniło.
Cykliczne odświeżanie stanu wyjść
– kolejne uzasadnienie dla pętli głównej.
W aplikacjach energooszczędnych mamy
do czynienia z programowaniem zdarzenio-
wym i  cykliczną pracą mikrokontrolera.
Podstawowym stanem mikrokontrolera jest
stan uśpienia, z wyłączonym CPU i wszyst-
kimi zbędnymi urządzeniami. Stan ten jest
przerywany krótkimi okresami aktywności,
uruchamianymi za pomocą systemu prze-
rwań. Spełnienie warunku kilkuletniej pra-
cy urządzenia na jednej baterii wymaga, aby
stosunek czasu aktywności do czasu uśpie-
nia dla najbardziej energooszczędnych mi-
krokontrolerów wynosił przynajmniej 1:50.
Rysunek 37.
83
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2011
 KURS
czasy będą wyrażone w sekundach, a prąd
w mA, to otrzymamy godzinne zużycie ener-
gii w mAh.
Dla trybu asynchronicznego i  miesza-
nego obliczenie jest trudniejsze, ponieważ
należy najpierw oszacować statystyczną
częstotliwość występowania stanów aktyw-
ności (na przykład w cyklu dobowym lub
tygodniowym) i zsumować łączny czas ich
trwania. Kolejnym krokiem jest zsumowanie
czasów aktywności i wyliczenie proporcji t
A
/ T oraz (T - t
A
) / T , gdzie T jest wybranym
okresem analizy (doba, tydzień). Podstawia-
jąc je do podanych powyżej wzorów, można
obliczyć odpowiednio średni prąd lub zuży-
cie energii. Jeżeli dysponujemy wszystkimi
danymi, to jest to zadanie na poziomie szko-
ły średniej, niewiele trudniejsze od oblicze-
nia zużycia energii przez lodówkę.
Prąd w stanie uśpienia I
U
dla wybranych
warunków pracy można odczytać bezpo-
średnio z karty katalogowej, a czas uśpienia
t
U
wynika z założeń projektu. Oszacowanie
prądu w stanie aktywności I
A
jest najtrud-
niejszą częścią całego zadania. Należy wziąć
pod uwagę prąd pobierany przez CPU oraz
przez wszystkie aktywne układy peryferyj-
ne i  generatory zegarowe. Jeżeli aplikacja
została zoptymalizowana pod kątem zuży-
cia energii, to wartość prądu podczas cyklu
aktywności ulega dużym wahaniom. Przy-
kłady zmienności poboru prądu dla dwóch
aplikacji realizujących zbliżone zadania
Rysunek 38.
W  praktyce spotyka się proporcje 1:100,
1:1000 i więcej.
urządzenie ponownie przechodzi do trybu
asynchronicznego, oczekując na wciśnięcie
przycisku.
Tryby pracy cyklicznej
Istnieją dwa podstawowe tryby pracy
cyklicznej : asynchroniczny i synchroniczny
(
Rys.
 
37
). W trybie asynchronicznym wszyst-
kie generatory zegarowe mikrokontrolera są
wyłączone, a wybudzenie ze stanu uśpienia
może aktywować wyłącznie zdarzenie ze-
wnętrzne (zmiana stanu wejścia). W trybie
synchronicznym pracuje jeden zegar (RTC,
Watchdog) z układem czasowym generują-
cym przerwania, a stany aktywności CPU po-
jawiają się w określonych odstępach czasu t
P
.
Tryb asynchroniczny jest bardziej oszczędny
energetycznie, bo interwały czasowe między
zdarzeniami mogą liczyć wiele godzin lub
dni. Niestety jego zastosowanie jest ograni-
czone do tych aplikacji, w których ciągłe od-
mierzanie czasu nie jest konieczne.
W  trybie synchronicznym oprogramo-
wanie zarządzające przedziałami czasowymi
pełni rolę nadrzędną w stosunku do innych
procesów – czyli jest to miniaturowy system
operacyjny RTOS. W  celu zaoszczędzenia
energii, stosuje się pracę synchroniczną ze
zmiennym czasem t
P
. System zarządzający
pracuje wtedy jako maszyna stanów, której
działanie ilustruje
Rys. 38
. W stanie A czę-
stotliwość cykli aktywności mikrokontrolera
jest mała, natomiast wystąpienie zdarze-
nia Z1 powoduje przejście do stanu B, ze
znacznie większą częstotliwością budzenia.
Zdarzenie Z2 powoduje powrót do stanu
A. W  identyczny sposób można zrealizo-
wać mieszany tryb asynchroniczno / syn-
chroniczny. W stanie A (asynchronicznym)
czas nie jest odmierzany w sposób ciągły,
ale zdarzenie zewnętrzne powoduje przej-
ście do trybu synchronicznego na określony
interwał czasowy. Przykład: elektroniczny
termometr lekarski. Naciśnięcie przycisku
powoduje aktywowanie trybu synchronicz-
nego i  wykonywanie serii pomiarów tem-
peratury. Po kilku minutach bezczynności
Pomiar i obliczanie zużycia
energii
Pomiar poboru prądu pobieranego przez
mikrokontroler pracujący w trybie cyklicz-
nym nie jest prostym zadaniem. Nie można
po prostu włączyć miliamperomierza w ob-
wód zasilania, potrzebny jest szybki rejestra-
tor lub oscyloskop cyfrowy z pamięcią. Je-
żeli mierzymy wartości na poziomie mA, to
dodatkowym utrudnieniem jest możliwość
zaburzenia wyniku poprzez prąd upływu ob-
wodu pomiarowego. Niektórzy producenci
oferują zestawy uruchomieniowe, wyposa-
żone w układ pomiaru chwilowego i średnie-
go poboru prądu. Tego typu pomiary zwykle
wykonuje się na etapie testowania i optyma-
lizacji aplikacji, natomiast pierwszym kro-
kiem jest dokonanie szacunkowych obliczeń.
W celu oszacowania zużycia energii na-
leży obliczyć średni pobór prądu I
S
. W trybie
synchronicznym ze stałym czasem powta-
rzania można wykorzystać wzór:
t
A
t
U
I
S
= ´ I
A
+ ´ I
U
przy czym t
A
+ t
U
= t
P
. [okres powtarzania]
t
A
+ t
U
t
A
+ t
U
gdzie:
t
A
, t
U
- czas aktywności, czas uśpienia
I
A
, I
U
- prąd w stanie aktywności i w stanie
uśpienia
Wygodniejsze może być bezpośrednie
obliczenie zużycia energii z baterii, w nastę-
pujący sposób:
Ilość cykli aktywności / uśpienia w ciągu
godziny: n = 3600 / t
P
Pobór energii na godzinę dla stanu ak-
tywności: E1 = n ´ t
A
´ I
A
Pobór energii na godzinę dla stanu uśpie-
nia: E2 = (3600 - n ´ t
A
) ´ I
U
lub E2 = n ´
t
U
´ I
U
Łączna energia zużyta w  ciągu godzi-
ny wyniesie E = E1 + E2 . Jeżeli wszystkie
a)
b)
Rysunek 39.
84
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2011
   Projektowanie energooszczędnych układów elektronicznych
przedstawia
rysunek
 
39
. W obu aplikacjach
cykl aktywności składa się z fazy wybudza-
nia (W), fazy przygotowawczej (A), fazy wy-
konywania pomiarów (B) i  fazy końcowej
(C). Założono, że w fazie wybudzania prąd
narasta liniowo, co pozwala przyjąć, że prąd
w tej fazie wynosi ½ I
A
. W takim przypadku
można uwzględnić zużycie energii w fazie
wybudzania poprzez dodanie do łącznego
czasu aktywności połowy czasu wybudzania
mikrokontrolera. Zakładamy, że w  fazach
A i C urządzenia peryferyjne nie pracują,
czyli prąd ma trzy składowe: CPU i dwa ge-
neratory zegarowe (główny + RTC). W fazie
B urządzenie wykonuje serię pomiarów ana-
logowych napięcia. W przykładzie (a) każdy
wynik jest na bieżąco przeliczany przez CPU
i zapisywany w pamięci EEPROM. W przy-
kładzie (b) rdzeń mikrokontrolera w fazie B
nie pracuje, a „surowe” wyniki z przetworni-
ka A/C są zapisywane w buforze RAM za po-
mocą funkcji DMA. Po zakończeniu serii po-
miarów obliczana jest wartość średnia i tylko
ten wynik zapisuje się w EEPROM. Wartość
średnia prądu I
A
, obliczona dla całego cyklu
aktywności jest dużo niższa w przykładzie
(b). Jak widać, przyjęcie określonego algo-
rytmu pracy i odpowiednie wykorzystanie
możliwości sprzętowych pozwala osiągnąć
bardzo duże oszczędności energii.
Czas aktywności mikrokontrolera t
A
jest
sumą czasów wykonywania procedur W, A,
B i C (do bilansu energii przyjmujemy ½ W).
Ręczne obliczenie t
A
jest żmudną operacją,
ale większość kompilatorów i środowisk IDE
posiada odpowiednie narzędzia do oblicza-
nia czasu wykonywania programu.
Niektórzy producenci mikrokontrolerów
oferują proste programy narzędziowe – ar-
kusze kalkulacyjne, przeznaczone do obli-
czania poboru prądu lub czasu eksploatacji
baterii przy zadanych warunkach początko-
wych (napięcie zasilania, częstotliwość tak-
towania, aktywne urządzenia peryferyjne).
Na
rysunku 40
przedstawiono ekran roboczy
programu
Power Estimation Spreadsheet
ir-
my Texas Instruments. Program ten obsługu-
je procesory DSP z rodzin
TMS320
oraz
Si-
tara
, niestety nie jest dostępny dla MSP430.
Inne programy o zbliżonych funkcjach to:
Battery Life Estimator
przeznaczony dla mi-
krokontrolerów z modułem radiowym irmy
Silicon Labs, oraz
XLP Battery Life Estimator
irmy Microchip, dedykowany dla mikrokon-
trolerów serii
nanoWatt XLP
.
Rysunek 40.
będzie prawie identyczne dla obu przypad-
ków. Daje to konstruktorowi większą swo-
bodę wyboru częstotliwości zegarowej, niż
w mikrokontrolerach pracujących w trybie
ciągłym. Jednakże w układach z zasilaniem
bateryjnym pojawia się inne ograniczenie:
przy wysokich częstotliwościach taktowania,
chwilowy pobór prądu jest duży, co zmniej-
sza efektywną pojemność baterii. Z punktu
widzenia oszczędności energii ważna jest
nie tyle wartość bezwzględna częstotliwości
zegarowej, co dopasowanie częstotliwości
taktowania rdzenia i układów peryferyjnych.
Przykład: pobranie 1 bajtu danych z  ze-
wnętrznej pamięci z interfejsem I
2
C wymaga
przesłania 32 bitów (bity sterujące + adres
układu + adres komórki + dane). Przy czę-
stotliwości SCL = 400 kHz czas transmisji
wyniesie 80 ms. Dla CPU taktowanego zega-
rem 16 MHz jest to bardzo długi czas ocze-
kiwania na dane, natomiast przy taktowaniu
CPU częstotliwością 32 kHz są to niecałe 3
cykle zegara. Może też wystąpić sytuacja od-
wrotna: szybki przetwornik A/C zakończył
pracę i wystawił sygnał przerwania. Jednak
CPU nie może odczytać danych i uśpić prze-
twornika, ponieważ obsługuje inne przerwa-
nie o  wyższym priorytecie. Optymalizacja
energetyczna aplikacji może wymagać wie-
lokrotnych zmian częstotliwości taktowania
rdzenia i układów peryferyjnych w trakcie
wykonywania programu, w celu zminima-
lizowania okresów bezczynności współpra-
cujących układów. Częstotliwość taktowania
można zmieniać poprzez wybór odpowied-
niego generatora zegarowego lub zmianę jego
częstotliwości. Jeżeli zmiany są wykonywa-
ne w czasie pracy programu, to korzystniej
jest używać do tego celu programowanych
dzielników częstotliwości (preskalerów).
Zarządzanie taktowaniem poszczególnych
modułów mikrokontrolera w czasie rzeczy-
wistym można zrealizować na dwa sposoby:
- Przypisanie na stałe odpowiednich czę-
stotliwości taktowania do poszczegól-
nych procedur lub fragmentów kodu.
Metoda prosta w realizacji, ale może być
kłopotliwa w przypadku aplikacji wielo-
zadaniowych.
- Implementacja mini-systemu operacyj-
nego RTOS, wyposażonego w  funkcję
monitorowania aktywności CPU i urzą-
dzeń peryferyjnych. System na bieżąco
dostosowuje częstotliwości taktowania
zasobów sprzętowych do potrzeb aplika-
cji. Metoda ta może być skuteczna w bar-
dziej rozbudowanych programach, gdzie
korzyści wynikające z  optymalizacji
będą większe niż dodatkowa moc obli-
czeniowa potrzebna do działania RTOS.
Zasady pisania programów
Chociaż tworzenie energooszczędnych
aplikacji jest zagadnieniem nowym, to poja-
wiły się już pierwsze zasady i zalecenia dla
programistów:
-
Koniguracja portów we/wy
. W  więk-
szości przypadków linie portów utrzy-
mują swoje stany logiczne po przejściu
mikrokontrolera w stan uśpienia. Dlate-
go przed uśpieniem systemu należy tak
skonigurować porty, aby zużycie energii
było jak najmniejsze. Niewykorzystane
piny najlepiej skonigurować jako wyj-
ścia cyfrowe. Wszystkie piny wyjściowe
(używane i  nieużywane) wyposażone
w wewnętrzne lub zewnętrzne rezysto-
ry podciągające muszą być ustawione
w taki stan logiczny, aby przez rezysto-
ry nie płynął prąd. Piny skonigurowa-
ne jako wejścia cyfrowe powinny być
zabezpieczone przed pojawieniem się
nieokreślonego stanu logicznego. Jeżeli
piny wejściowe nie muszą przyjmować
przerwań w stanie uśpienia, to korzyst-
nym rozwiązaniem jest skonigurowanie
ich jako wejść analogowych. Uzyskuje
się w ten sposób znacznie mniejsze prą-
dy upływu.
-
Rozmiar pamięci
. W  każdej rodzinie
mikrokontrolerów dostępne są układy
o różnej wielkości pamięci RAM i Flash.
Im większa pamięć, tym bardziej rozbu-
dowane dekodery adresowe i  większa
Wybór częstotliwości zegarowej
W mikrokontrolerach pracujących w try-
bie cyklicznym należy rozdzielić pojęcia po-
boru mocy i zużycia energii. W przypadku
dużej częstotliwości taktowania chwilowy
pobór mocy jest większy, ale zadania oblicze-
niowe zostaną zrealizowane w krótszym cza-
sie niż przy małej częstotliwości taktowania.
Zużycie energii w całym cyklu aktywności
85
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2011
KURS
jest 16 – 64 kB pamięci RAM. Jeżeli mikro-
kontroler oferuje taką możliwość, to warto
wykonywać w pamięci RAM przynajmniej
najczęściej używany fragment kodu pro-
gramu.
-
Instrukcje skoków i  wywołań podpro-
gramów
. Podczas wykonywania skoku
z obszaru początkowego do obszaru koń-
cowego pamięci programu, następuje jed-
noczesna zmiana stanu kilkuset bramek
w dekoderze adresów oraz prawie wszyst-
kich linii adresowych. Impuls prądowy
podczas skoku do odległego obszaru pa-
mięci jest znacznie większy, niż podczas
pobierania instrukcji z  kolejno następu-
jących adresów. Podczas wywołań i po-
wrotów z podprogramów dochodzą jesz-
cze sekwencje dostępu do pamięci RAM
– zapis / przywrócenie adresu powrotu
i stanu rejestrów. W programach energo-
oszczędnych należy w miarę możliwości
ograniczać ilość wywoływanych podpro-
gramów. W pierwszej kolejności powinny
być eliminowane podprogramy składają-
ce się z kilku bajtów kodu, znajdujące się
w obszarze pamięci odległym od miejsca
wywołania. Co prawda powtarzanie tej
samej sekwencji rozkazów w wielu miej-
scach programu spowoduje zwiększenie
objętości kodu, ale poprawi szybkość wy-
konania i efektywność energetyczną.
-
Używanie języków wysokiego poziomu
.
Współczesne kompilatory języków C/
C++ dysponują bogatym zestawem funk-
cji i  procedur bibliotecznych, co nawet
w  przypadku mikrokontrolerów umożli-
wia tworzenie kodu źródłowego oddzie-
lonego od warstwy sprzętowej. Wygenero-
wanie kodu wynikowego, przeznaczonego
dla konkretnej rodziny mikrokontrolerów
jest zadaniem kompilatora, a na razie ża-
den dostawca kompilatorów nie zadekla-
rował, że jego produkt generuje kod zop-
tymalizowany pod kątem zużycia energii.
Pisanie programów energooszczędnych
wymaga bardzo silnego powiązania pro-
gramu ze sprzętem, czasem nawet napi-
sania fragmentów kodu w  asemblerze.
Korzystanie z zaawansowanych procedur
i funkcji bibliotecznych powoduje utratę
kontroli nad sposobem realizacji zadań
przez mikrokontroler. Dla programistów
przyzwyczajonych do operowania klasa-
mi i obiektami, jest to duży krok wstecz.
Jako pocieszenie można przyjąć, że nawet
w XXI wieku prawdziwe dzieła sztuki wy-
konywane są ręcznie, przy pomocy pro-
stych narzędzi.
-
Tablice funkcji
. Dzięki zastosowaniu ta-
blic funkcji można uzyskać duże oszczęd-
ności energii i  wydajności. Przyjmijmy
jako przykład prostą funkcję nieliniową :
Y = 256 / (255 – 0.7 * X)
Nawet jeżeli zmienne X i Y są 8-bitowe,
to do obliczenia wyniku trzeba użyć aryt-
metyki 16-bitowej. Stablicowanie tej funkcji
„kosztuje” tylko 256 bajtów pamięci Flash,
a zysk energetyczny będzie znaczący. Jeżeli
argumentem funkcji jest 10-bitowy pomiar
z przetwornika A/C, to tablica zajmie 2 kB
pamięci przy 16-bitowej rozdzielczości wy-
niku. Im bardziej złożona formuła matema-
tyczna, tym większe korzyści ze stosowania
tablic.
Warto zauważyć, że powyższe zalece-
nia są zaprzeczeniem metody przetwarzania
DSP. Typowy procesor DSP dysponuje wy-
dajną jednostką centralną, rozbudowanym
programem obliczeniowym w pamięci Flash,
oraz dużą pamięcią RAM do przechowywa-
nia danych i wyników. W mikrokontrolerze
energooszczędnym mamy program użytkow-
nika w pamięci RAM, tablice funkcji w pa-
mięci Flash, a wymagana wydajność oblicze-
niowa spada prawie do zera.
Rysunek 41.
pojemność obciążenia na szynach da-
nych i adresowych. Dlatego też nie należy
wybierać układów z pojemnością pamięci
znacznie przekraczającą potrzeby aplika-
cji. Z tych samych powodów mikrokontro-
lery z kilkoma wewnętrznymi szynami da-
nych / adresów będą w cyklach dostępu do
pamięci pobierać mniejszy prąd niż układy
z jedną wspólną szyną. Dzieje się tak dlate-
go, że w przypadku kilku szyn, ilość wejść
bramek dołączonych do każdej z nich jest
mniejsza. Przy zmianie stanu szyny prze-
ładowywana jest mniejsza pojemność ob-
ciążenia. Oczywiście przy ograniczaniu
wielkości pamięci trzeba zachować umiar.
Przykład: przewidywany rozmiar aplika-
cji 7 kB, a dostępne są mikrokontrolery
z pamięcią 8, 16, 32 i 64 kB. Wybór 16 kB
zapewni wystarczającą rezerwę, a większa
pamięć będzie marnowaniem energii.
-
Korzystanie z pamięci i rejestrów
. Opera-
cje arytmetyczne i logiczne wykonywane
na wewnętrznych rejestrach CPU kosztują
znacznie mniej energii niż wykonywane
na zmiennych przechowywanych w pa-
mięci RAM. Dlatego też warto tak budować
kod programu, aby zminimalizować ilość
przesłań do / z pamięci. Na
rysunku 41
przedstawiony jest przykład przetwarza-
nia zmiennych tablicowych. W pierwotnej
wersji kodu, tablica B jest zbyt duża, aby
mogła być przechowywana w rejestrach,
konieczne są transfery wartości pośred-
nich do / z pamięci RAM. Przebudowanie
pętli pozwala zastąpić 2N cykli dostępu
do pamięci przez mniej kosztowne ener-
getycznie przesłania między rejestrami
CPU. Dodatkową zaletą jest zwolnienie N
komórek pamięci RAM. Z tych samych
względów należy unikać najbardziej zło-
żonych trybów adresowania pośredniego,
w  których pobranie wartości zmiennej
wymaga kilku cykli dostępu do pamięci.
W  niektórych typach mikrokontrolerów,
stosowanie się do tych zaleceń oznacza
ograniczenie używania instrukcji wyko-
nywanych w dwóch lub trzech cyklach
zegarowych, co dodatkowo poprawia efek-
tywność kodu.
-
Kod programu w pamięci RAM
. Wyko-
nywanie kodu programu załadowanego
do pamięci RAM pozwala zaoszczędzić
ok. 40% energii w porównaniu z progra-
mem wykonywanym z pamięci Flash lub
EPROM. Do niedawna nie było to możli-
we, ale obecnie nawet 8-bitowe mikrokon-
trolery często dysponują 1 – 4 kB RAM,
a w systemach 32-bitowych standardem
Optymalizacja energetyczna
programu
Klasyczna optymalizacja zwięzłości
i czasu wykonywania kodu nie jest tutaj wy-
starczająca. O  ile krótszy czas wykonania
kodu zwykle jest korzystny energetycznie, to
zmniejszanie objętości kodu może dać wynik
przeciwny do zamierzonego. Wykonane na
początku projektu szacunkowe obliczenia zu-
życia energii także wymagają praktycznej we-
ryikacji. Optymalizacja energetyczna w fazie
uruchamiania i testowania programu określa-
na jest w literaturze anglojęzycznej terminem
Energy debugging
lub
Power debugging
. Poja-
wiają się już pierwsze narzędzia do optymali-
zacji energetycznej oprogramowania.
Narzędzia do optymalizacji wchodzą
w  skład zestawu startowego mikrokontro-
lera EFM32 irmy Energy Micro. Płytka
uruchomieniowa jest wyposażona w sprzę-
towy moduł pomiaru zużycia energii AEM
(
Advanced Energy Monitoring
), zawierający
oddzielny mikrokontroler z wyświetlaczem
LCD i łączem USB. Na ekranie LCD wyświe-
tlany jest wykres poboru prądu w funkcji
czasu oraz wartości liczbowe napięcia, prą-
du i mocy (
Rys.
 
42
). Bardziej szczegółową
analizę umożliwia współpracujący z modu-
łem AEM program
Energy Aware Proiler
.
Program otrzymuje wyniki pomiaru prądu
oraz próbki stanu licznika rozkazów CPU,
a następnie synchronizuje chwilowy pobór
prądu z  aktualnie wykonywanym kodem
Rysunek 42.
86
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2011
Projektowanie energooszczędnych układów elektronicznych
Rysunek 43.
Fotograia 44.
programu. Ekran roboczy programu składa
się z trzech okien (
Rys. 43
). Okno
Energy
Proiling
prezentuje pobór prądu mikrokon-
trolera w funkcji czasu. Kliknięcie na wybra-
ny punkt wykresu powoduje wyświetlenie
odpowiedniego fragmentu kodu źródłowe-
go w oknie
Code Listing
oraz tabeli zużycia
energii przez aktywne procedury w  oknie
Function Listing
. Firma IAR Systems zapo-
wiada wprowadzenie podobnego oprogra-
mowania w nowej wersji popularnego środo-
wiska
IAR Embedded Workbench
.
Firma STMicro oferuje możliwość po-
miaru prądu w zestawach startowych dedy-
kowanych dla mikrokontrolerów STM8L15x.
Rysunek 44 przedstawia najprostszy zestaw
STM8L-Discovery, w  którym pobór prądu
może być przedstawiony w postaci cyfrowej
na wyświetlaczu LCD. System pomiarowy
składa się z  przetwornika prąd / napięcie
oraz sprzętowo sterowanego układu prób-
kująco-pamietającego z  kondensatorem pa-
mięciowym o pojemności 1 mF. Dzięki temu
mikrokontroler może sam zmierzyć własny
pobór prądu w ostatnio wykonanym cyklu
aktywności. Do zestawu jest dołączone przy-
kładowe oprogramowanie realizujące funkcje
pomiaru i wyświetlania prądu. System ten
nie zapewnia takich możliwości i komfortu
pracy jak opisany wcześniej, ale jest znacznie
prostszy i tańszy. Firma STMicro publikuje
schemat zastosowanego rozwiązania, co może
być inspiracją dla konstruktorów do budowy
własnych układów monitorujących.
Jacek Przepiórkowski
R
E
K
L
A
M
A
87
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2011
  [ Pobierz całość w formacie PDF ]