Ящерицы и микроконтроллеры EFM32 Gecko: что общего?

Идея названия Gecko возникла у одного из ведущих менеджеров компании Energy Micro, на сегодняшний день входящей в состав Silicon Labs. В одной из телевизионных программ, посвященной жизни рептилий, он услышал об уникальных способностях ящериц сохранять энергию. По сравнению с млекопитающими того же размера, гекконы для поддержания жизнедеятельности потребляют в 10 раз меньше энергии, а энергопотребление микроконтроллеров Gecko в среднем составляет 25% от аналогичных показателей других 32‑разрядных микроконтроллеров с ARM-ядром. Благодаря замеченному сходству и появился бренд EFM32 Gecko.

Между технологиями, заложенными в кристаллы EFM32 Gecko для снижения энергопотребления, и некоторыми особенностями строения ящериц можно провести интересные параллели. Подобно рептилиям, способным останавливать рост, регулировать собственные биоритмы, а также практически прекращать жизнедеятельность в неблагоприятных условиях, микроконтроллеры Gecko поддерживают различные режимы энергосбережения и комплекс технологий, направленных на оптимизацию энерго-потребления кристалла.

Режимы энергосбережения

Для многих рептилий характерен анабиоз — временное состояние организма, при котором жизненные процессы существенно замедляются, а видимые признаки жизни отсутствуют. Ящерицы переходят в такое состояние при сильном ухудшении условий существования и практически не расходуют энергию, пребывая в состоянии «мнимой смерти», пока внешняя среда вновь не станет благоприятной для их жизнедеятельности.

Весьма широкий спектр электронных устройств, реализованных с применением микроконтроллеров, предполагает, что управляющий контроллер значительную часть времени не задействован в работе системы, но должен начинать выполнять какие-либо действия при наступлении определенного события. Именно поэтому в борьбе за снижение энергопотребления устройства в различных типовых приложениях (бытовых счетчиках, измерительных приборах, в портативной технике и т. п.) от микроконтроллера требуется поддержка своеобразного анабиоза. Для оптимизации энергопотребления кристалла производители микроконтроллеров предусматривают различные режимы энергосбережения. Режим «самого глубокого сна» микроконтроллеров семейства EFM32 Gecko позволяет кристаллу потреблять не более 20 нА/МГц, работа всех периферийных модулей в этом режиме приостанавливается до получения внешнего прерывания, сигнала от монитора питания или до аппаратного сброса МК.

Всего у микроконтроллеров EFM32 предусмотрено пять режимов энергосбережения, каждый из которых характеризуется определенными показателями энергопотребления и набором периферийных модулей, доступных для активации в данном режиме (табл. 1).

Примечание. * — ток потребления зависит от серии EFM32 Gecko.

Время «пробуждения»

Вы обращали внимание на скорость, с которой ящерицы захватывают добычу? Проводящим большую часть времени в неподвижном состоянии ящерицам требуются доли секунды для прыжка и поглощения жертвы.

Подобно гекконам, микроконтроллеры EFM32 способны за предельно короткое время переключаться между режимами энергосбережения и режимом активной работы. Поскольку в критичных к энергопотреблению приложениях переходы между различными режимами работы могут происходить довольно часто, а время переключения фактически тратится контроллером впустую, такой параметр, как время «пробуждения», может оказаться одним из определяющих при выборе кристалла. В таблице 2 представлены значения данного параметра для каждого из доступных режимов. Малое время «пробуждения» позволяет разработчику не экономить на переходах и наиболее эффективно использовать возможности режимов энергосбережения, предусмотренных в EFM32 Gecko.

Рефлексная система периферии

Рассмотрим другое примечательное сходство представителей гекконовых ящериц с одноименными микроконтроллерами. В основе поведения рептилий преобладают безусловные рефлексы. Можно сказать, что чаще всего поведение ящериц в конкретной ситуации определяется не принятым в мозгу рептилии решением, а по заранее известному алгоритму при наступлении определенного события. Так в пустыне, в часы сильного нагрева песка, почувствовав изменение температуры поверхности, ящерицы всегда перемещаются в тень или на ветки кустарников, где температура значительно ниже. Ящерица не оценивает ситуацию, не принимает решения, ее действия продиктованы исключительно рефлексами.

Как и в нервной дуге, по которой нервный импульс проходит от рецептора на лапках ящерицы к исполнительным органам, минуя головной мозг, в микроконтроллерах семейства EFM32 Gecko разработчик может настроить работу периферийных модулей без участия процессорного ядра. Для организации прямых связей между периферийными блоками служит рефлексная система периферии (Peripheral Reflex System, PRS) (рисунок).

Рисунок. Пример взаимодействия периферийных блоков через рефлексную систему периферии (PRS)

В качестве триггеров могут выступать аналоговый компаратор, АЦП, ЦАП, таймеры-счетчики, линии ввода/вывода, малопотребляющий интерфейс датчиков, компаратор напряжения питания, интерфейсы USB, UART и USART. Сигнал, сгенерированный на одном из перечисленных блоков, может быть напрямую передан блокам АЦП, ЦАП, таймеру-счетчику, малопотребляющему интерфейсу датчиков, счетчику импульсов, UART или USART. Разработчику доступно до двенадцати каналов PRS, с использованием которых может быть реализован ряд алгоритмов для решения простых задач управления. Процессорное ядро используется только на этапе настройки рефлексной системы периферии и ее использование позволяет в дальнейшем экономить как энергию источника питания, так и память кристалла.

Помимо «природных» свойств, унаследованных от гекконов, в кристаллах EFM32 реализован ряд специальных технологий для снижения энергопотребления. Среди них можно отметить интерфейс аналоговых датчиков и аппаратный счетчик импульсов, работа которых не требует участия процессорного ядра. Можно выделить также доступный в различных режимах сна модуль мониторинга напряжения питания и малое энергопотребление некоторых типовых периферийных модулей (последовательных интерфейсов, таймеров/счетчиков, АЦП и ЦАП).

«Эволюция» EFM32 Gecko, или Вместо заключения

Сегодня науке известно несколько сот видов гекконовых ящериц. В процессе эволюции рептилии приобретали различные размеры, изменяли окрас, внутреннее строение тела и в результате приспособились к жизни в самых разных условиях: некоторые виды обитают в пустынях, другие в тропических лесах или даже в горах, на высоте до 4000 м над уровнем моря.

В линейке EFM32 Gecko насчитывается более двухсот энергоэффективных микроконтроллеров, среди которых можно подобрать кристалл с необходимым для конкретной задачи набором периферии, подходящей производительностью и ценой. Направление активно развивается, уже в этом году ожидается выход новых серий Gecko. Представители линейки EFM32 Gecko эволюционируют вместе с потребностями рынка, последовательно расширяя круг задач, где использование этих кристаллов является оптимальным.