Strategien für die Entwicklung effizienter Ultra-Low-Power-Geräte

| Autor / Redakteur: Markus Levy und Monica Redon * / Sebastian Gerstl

Die 10 Top-Benchmarkresultate der ULPMark-CP, wie Sie auf der Website des EEMBC zu finden sind (Stand: 18. August 2017).
Die 10 Top-Benchmarkresultate der ULPMark-CP, wie Sie auf der Website des EEMBC zu finden sind (Stand: 18. August 2017). (Bild: EEMBC)

Warum verbraucht der ADuCM4050 aber 10µA/MHz mehr Energie als der ADuCM3029? Der ADuCM4050 kann mit doppelt so hoher Frequenz laufen wie der ADuCM3029; deshalb sind zusätzliche Pufferspeicher erforderlich, um die Zeit-Constraints für diese höhere Frequenz zu erzielen. Der ADuCM4050 hat im Vergleich zum ADuCM3029 noch weitere Features:

  • Doppelte Speichergröße (SRAM und Flash): 128 kByte und 512 kByte vs. 64 kByte und 256 kByte beim ADuCM3029. Je nach Applikation kann dieser zusätzliche Speicherplatz erforderlich sein.
  • Doppelte Frequenz: 52MHz vs. 26MHz beim ADuCM3029, somit ist der ADuCM4050 leistungsfähiger
  • Zusätzlicher RBG-Timer
  • Neue Security-Funktionen: Protected Key Storage mit Key-Wrap-Unwrap und keyed HMAC mit Key-Unwrap
  • 3 zusätzliche SensorStrobe-Ausgänge
  • Voller SRAM-Datenerhalt: Der ADuCM4050 ermöglicht einen Datenerhalt von bis zu 124kByte (gegenüber 32kByte beim ADuCM3029).

Je nach den Anforderungen einer Applikation (Leistungsoptimierung, zusätzlicher Speicher, Leistungsfähigkeit im Aktivmodus, Datenerhalt, …) beeinflusst dieser Funktionsumfang die Entscheidung, ob der ADuCM4050 oder ADuCM302x zum Einsatz kommt.

Was den Deep-Sleep-Modus angeht, so hat der ADuCM4050 im Vergleich zum ADuCM3029 im ULPMark-CoreProfile eine geringere Stromaufnahme im Ruhezustand (Hibernate) bei zweifachem Datenerhalt (16kB bei ersterem und 8kB beim ADuCM3029). Dieser bessere Wert wurde erzielt, weil die Architektur des (neueren) ADuCM4050 optimiert wurde.

Die Rolle des Compilers

Wie bereits beschrieben, deckt ULPMark zwei Betriebszustände ab – einen aktiven und einen Low-Power-Zustand, bei dem sich das Gerät in einem Schlafmodus befindet. Diese Zustände werden in einem Arbeitszyklus von genau einer Sekunde zusammengefasst. Im Aktivzustand verarbeitet jedes Gerät dieselbe Workload. Wie wir jedoch gesehen haben, hat die Architektur einen Einfluss darauf, wie effizient diese Verarbeitung ist – und auch der Compiler beeinflusst das. Compiler können Statements so verändern und optimieren, dass sich der Befehlssatz ändert.

Je nach Anforderungen der Applikation optimieren Sie Ihr System vielleicht auf Größe, auf Geschwindigkeit, oder auf ein Gleichgewicht dieser beiden Faktoren, etc. Loop-Unrolling ist ein einfaches Beispiel; hier ändert sich das Verhältnis der ausgeführten Branches zum Code innerhalb der Schleife. Compiler sind oft sehr hilfreich, wenn es darum geht, Ergebnisse effizienter zu errechnen; die ausgeführte Arbeit ist jeweils gleich. So ändert sich z.B. beim ADuCM3029 das ULPMark-CP-Resultat von 245,5 bei hoher Optimierung auf Geschwindigkeit auf 232 bei mittlerer Optimierung bzw. 209 bei geringer Optimierung. Die Bedeutung von Compilern lässt sich auch anhand eines weiteren Beispiels belegen - die ULPMark-Resultate für einen Texas Instruments MSP430FR5969. Diese sind um 5% besser, wenn eine neuere Version des IAR Embedded Workbench Compilers zum Einsatz kommt; es ist jedoch nicht bekannt, welche internen Veränderungen am Compiler eine solche Verbesserung bewirken. Ebenso wenig lässt sich ohne Einblick in die proprietäre Compiler-Technologie sagen, warum sich die Ergebnisse des STMicro STM32L476RG um 16% verbessern, wenn statt des ARMCC-Compilers der IAR-Compiler zum Einsatz kommt.

Die beiden Ergebnisse der Analog Devices MCUs basieren auf Code, der mit dem IAR-Compiler erzeugt wurde, allerdings mit unterschiedlichen Versionen: Beim UCM4050 kam der IAR EWARM 7.60.1.11216 Compiler zum Einsatz, beim ADUCM302x war es der IAR EWARM 7.50.2.10505. Auch hier ist nicht bekannt, welche internen Änderungen vorgenommen wurden. Beide Ergebnisse wurden mit der no_size_constraints Option erzielt, also bei Optimierung auf Geschwindigkeit.

Bis hierher haben wir beschrieben, wie sich die Leistungswerte und die Zahl der möglichen erreichbaren Zyklen eines Mikrocontrollers ermitteln lassen. Im nächsten Teil dieses Artikels gehen wir näher darauf ein, wie Sie die aus der Benchmark ULPMark gewonnenen Erkenntnisse auf einen konkreten Energiewert übertragen können.

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(Übersetzung: Sabine Pagler)

* Markus Levy ... ist Präsident der Multicore Association (MCA), Vorsitzender der IoT Developers Conference sowie Präsident und Gründer des Embedded-Branchenverbands EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium) .

* Monica Redon ist Applications Engineer Lead in der IoT Platform Technology Group bei Analog Devices.

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posted am 21.08.2017 um 12:16 von roby111


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