發(fā)揮ARM Cortex-M3和M4微控制器最大作用的要訣

多項秘訣造就巧妙解決方案

嵌入式設計的成敗經(jīng)常取決于如何在系統(tǒng)性能、能耗和解決方案成本之間找到適當?shù)钠胶?。許多情況下，開發(fā)人員可以采用Cortex-M處理器上的獨特特性來優(yōu)化產(chǎn)品成本或能源需求，同時維持、甚至提升它的性能。例如，Cortex-M內(nèi)核天生的串行I/O能力能夠用于節(jié)省能源、簡化開發(fā)、釋放外設以用于其它應用任務。

除了傳統(tǒng)的串行調(diào)試（Serial Wire Debug）功能之外，基于ARM Cortex-M的MCU還可以通過它的單引腳串行監(jiān)視器輸出（Serial Wire Viewer Output，SWO）3提供指令跟蹤接口，如圖2所示。這個接口可以直接把“printf格式的”調(diào)試信息傳遞給應用代碼。SWO允許調(diào)試信息直接在任何標準的IDE中瀏覽。此外，這些信息也可以用獨立的SWO監(jiān)視器（例如，Segger的J-Link SWO Viewer軟件4，或是Silicon Labs的energyAware Commander 4）進行瀏覽。由于SWO輸出內(nèi)建于內(nèi)核硬件本身，因此它是Cortex-M內(nèi)核與生俱來的優(yōu)點。SWO不占用MCU的任何UART接口，這些接口它們可能早已被分配給了應用。

圖2：專用ARM Cortex SWO接口節(jié)省I/O引腳并加速調(diào)試。

基于SWO的調(diào)試還有一個重要的優(yōu)勢在于，它讓微控制器在進入最低的休眠模式時，保持調(diào)試連接有效，而在大多數(shù)情況下，傳統(tǒng)的調(diào)試連接這時是不能正常工作的。SWO的指令追蹤還可以用于跟蹤程序計數(shù)器，以幫忙IDE統(tǒng)計出程序各項功能所占用的時間。這些統(tǒng)計數(shù)字能夠與電流測量結(jié)合起來，幫助開發(fā)人員對設計功耗進行微調(diào)。

基于Cortex-M的微控制器供應商正在開始重新認識這項優(yōu)點，而且有些廠商已經(jīng)為了這個目的而把功耗模式和電流測量硬件納入到本身的開發(fā)平臺。例如，Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU入門級和開發(fā)級工具包都包含功耗測量輸出，并可搭配energyAware Profiler工具6中的程序代碼追蹤功能。圖3顯示了如何讓設計人員精確定位到哪個程序功能塊最耗費能源，并且能夠快速調(diào)試其它與能源有關的問題。

圖3：軟硬件工具精確定位耗能最大的功能，無需示波器和萬用表，快速排除問題。

智能休眠節(jié)省每一微瓦

ARM Cortex-M處理器的Sleep-on-Exit（中斷完成時直接進入休眠）是另一項“一箭雙雕”的功能，可同時節(jié)省CPU周期和能耗。這點在由中斷所驅(qū)動的應用中格外有用，因為處理器的大部分時間不是在執(zhí)行中斷處理，就是在中斷事件之間休眠。在進入中斷服務例程（ISR）時，MCU必須花費好幾個指令周期把當前線程狀態(tài)入棧，然后在退出中斷處理返回時恢復原有線程狀態(tài)，即“出棧”。當應用需要處理器在退出ISR后直接進入休眠狀態(tài)時，傳統(tǒng)MCU仍然必須恢復原先存儲的狀態(tài)信息，然后線程代碼才能讓MCU進入休眠狀態(tài)。同樣地，當下次的中斷喚醒MCU時，它的狀態(tài)必須再次入棧。

而當使能ARM Cortex-M微控制器上的Sleep-on-Exit功能后，MCU就會在中斷處理完成后直接進入休眠狀態(tài)，而不用先返回到原有線程上（見圖4）。這會使處理器仍然保持在中斷狀態(tài)，因為消除了喚醒再入棧過程，因而節(jié)省下許多寶貴的機器周期。消除入棧出棧過程既節(jié)省了時間也節(jié)省了能耗，否則電能就會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，當處理器被中止調(diào)試請求（Halt Debug Request）喚醒時，出棧過程將會自動進行。

圖4：ARM Cortex-M的Sleep-on-Exit功能通過避免不必要的代碼執(zhí)行和減少出棧入棧操作降低功耗。（引自：《The Definitive Guide to the ARM Cortex-M31》）