Der Weg zum geringsten Energieverbrauch in MCU-Systemen (Teil 1)

| Autor / Redakteur: Horst Diewald * / Johann Wiesböck

Diese Serie zeigt Mechanismen und Wege für geringsmöglichen Energieverbrauch in MCU-Systemen
Diese Serie zeigt Mechanismen und Wege für geringsmöglichen Energieverbrauch in MCU-Systemen (Bild: ©chombosan - stock.adobe.com)

Diese mehrteilige Artikelserie beleuchtet die wachsenden Anforderungen an Mikrocontroller, den gegenwärtigen Stand der Technik und entsprechende Low-Power-Optionen in einem Beispiel-Controller. Der Weg zum geringsten Energieverbrauch wird aufgezeigt.

Energieeffizienz von MCU und SoCs ist ein Kernthema für die Entwicklung von Produkten. Solche MCUs haben ein durchdachtes Energiemanagement und viele Einstellmöglichkeiten, die die verfügbare Energie fundiert zu nutzen. Diese mehrteilige Artikelserie beleuchtet die wachsenden Anforderungen an MCUs, den gegenwärtigen Status, die Optionen in einem Beispiel-Controller, die Festlegungen der Hardware und Power-Modi im MCU-System.

Anhand einer Beispielanwendung werden autonom arbeitende Abläufe untersucht. Je nach Aufgabe beeinflusst autonom arbeitende Hardware die Effizienz stark. Im letzten Teil der Artikelserie zeigt ein Ausblick Möglichkeiten, die vorgegebenen Wechsel der Energiemodi von der Software zu entkoppeln, die Wechsel effizienter zu gestalten und Energieeffizienz und Sicherheit in der Systemarchitektur optimal zu gestalten.

Der 1. Teil der Artikelserie zeigt grundsätzliche Fragestellungen auf bzw. zeigt Beispielparameter, die in extrem energiesensitiven Anwendungen wichtig sind. Bestimmen Hardware oder Software den Energieverbrauch oder deren Zusammenspiel? Die ständig wachsende Komplexität der Anforderungen der Anwendungen macht den Schritt in kleinere Prozessgeometrien notwendig. Die notwendigen neuen Schaltungskonzepte benötigen komplexere Betriebsmode-Steuerungen. Wie sind diese Betriebsmode-Steuerungen in aktuellen MCUs der „Low-Power“-Schienen gelöst?

Im Teil 2 betrachtet der Autor einen Beispiel-MCU-Baustein in Kontext einer einfachen Anwendung. Ein analoges Signal soll abgetastet werden (ADC) und die Datenbehandlung wird definiert. Die Abbildung erfolgt mit den Hardwareelementen eines Beispielcontrollers STM32L4xx betrachtet. Welche Entscheidungen müssen getroffen werden um den Controller so zu betreiben, dass die Spezifikation der Anwendung bei minimalem Energieeinsatz erfüllt wird? Welche Daten sind verfügbar und was können wir daraus entnehmen?

Im Teil 3 und 4 werden die Hardware, die Software und die Anwendung im Zuge einer energie-optimierten Applikation betrachtet. Grundsätzliche Überlegungen für beste Energieeffizienz werden angestellt. Es wird eine Vorgehensweise betrachtet, die die Power-Zustände, Takteinstellungen, Power-Modi und autonomer Betrieb zum energieeffizienten Zusammenspiel bringt.

Der 5. Teil betrachtet abschließend neue Möglichkeiten, die die autarke, weitgehend Software unabhängige Bearbeitung von Betriebsmode-Wechsel ermöglichen. Optimal angepasste Betriebsmode-Wechsel unterstützen sowohl weitere Energieeinsparungen als auch sichere Betriebsmodi. Das Zusammenwirken von energetisch optimierten und dabei sicheren Systemen wird künftig der Schlüssel für erfolgreiche I-o-T-Sensorsysteme sein.

Teil 1: Die Betriebsmode-Steuerungen in Low-Power-MCUs

Einfaches Austauschen von MCU-Bauteilen bei Änderungen von Anforderungen wäre natürlich ein Eldorado für die Anwender. Eine Definition, eine Hardware, eine Software – und los geht’s. Die beste Qualität, die besten Lieferbedingungen ermittelt und schon kann die Entwicklung starten. Stimmt es, dass die gleiche Architektur alles einebnet und die Suche nach dem energieeffizientesten Baustein obsolet ist?

Gut, das Pinning könnte anders sein… Bei den Smartphones geht das doch auch – Store aufrufen, Applikation herunterladen, öffnen und los geht es. Aber warum sind dann extra Spar-Modi und Ultra-Spar-Modi vorhanden? Warum muss dann das Smartphone neu gestartet werden, wenn der Ultra-Spar-Mode verlassen wird?

Wenn bestimmte Eigenschaften der Hardware den effizientesten Betrieb bestimmen, muss an die Hardware-Funktionen Hand angelegt werden, um eine maßgeschneiderte Energiesparlösung zu bekommen.

Gibt es Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen performanten und hoch-effizienten MCUs und SoCs? Ja, viele Methoden sind in beiden Bereichen anwendbar, aber die verfügbare Energiemenge macht den Unterschied. Wenn ein Aufladen eines 2700mAh Akkus nach 2 Tagen – nach dem Motto „keiner kann es besser“ - akzeptiert ist, verhagelt der Dauerbetrieb eines Quarzoszillators mit z.B. 200uA keine Energiebilanz.

Hochenergie-effiziente Anwendungen (z.B. Grundlage des ULPBench™) haben eine durchschnittliche Gesamt-Stromaufnahmen von typisch 2 bis 6 µA. Alleine ein Quarzoszillator im „MHz“- und Dauerbetrieb macht dann jede Langzeitanwendung zunichte.

Zuerst (1. Teil) werden wir Hardware, Software, und die Anwendung dahingehend betrachten, was dominiert die energie-optimierten Anwendung. Grundsätzliche Überlegungen für beste Energieeffizienz werden angestellt. Worauf soll sich der Entscheider und Entwickler fokussieren?

Im 2. Teil dieser Artikelserie wird eine einfache Anwendung mit Signal- und Datenbehandlung definiert und die Abbildung auf die Hardwareelemente eines Beispielcontrollers STM32L4xx betrachtet. Welche Entscheidungen müssen getroffen werden um den Controller so zu betreiben, dass die Spezifikation der

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