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Einfacheres Power Management für Mikrocontroller-basierte IoT-Knoten

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Wenn keine Constraints das System vom Wechsel in eine Stromspar-Betriebsart abhalten, muss der Power Policy Manager durch Gewichtung von Informationen aus verschiedenen Quellen entscheiden, ob genug Zeit bleibt, um in einen bestimmten Power-Modus zu wechseln (und ihn auch wieder zu verlassen). Jeder Stromspar-Modus ist nämlich durch eine gewisse Latenz gekennzeichnet, die aus der Zeit zum Ausführen der Power-Down-Operation und der Zeit besteht, die die MCU benötigt, um wieder vollständig reaktiviert und für den normalen Systembetrieb bereitgemacht zu werden.

Der Power Policy Manager vergleicht die Latenzen der verschiedenen Power-Modi mit der Zeit, die bis zum nächsten geplanten Ereignis (z. B. einer periodischen Funktion oder einem Timeout) bleibt. Der Power Policy Manager wählt daraufhin die Betriebsart mit dem geringsten Stromverbrauch und programmiert die Wake-up-Konfiguration so, dass die vollständige Reaktivierung des Prozessors rechtzeitig vor dem nächsten geplanten Ereignis erfolgt. Wenn die MCU in einen neuen Power-Modus wechselt, rufen an die Treiber gesandte Sleep-Benachrichtigungen Callback-Funktionen auf, um die Aktivität der Peripheriefunktionen abzuschalten. Die Default-Implementierungen dieser Callbacks sind minimalistisch gehalten und schalten die jeweilige Peripheriefunktion so schnell wie möglich ab.

Die Power-Modi des Wireless-Mikrocontrollers

Der OS Power Manager stellt erprobte Implementierungen eines vorgegebenen Satzes an Power-Modi für die Wireless-MCU zur Verfügung. Diese sind auf zuverlässige Übergänge in den betreffenden Modus und aus ihm heraus geprüft. Die in Tabelle 1 aufgeführten Power-Modi für eine Ultra-Low-Power Wireless-MCU sind als Beispiele für die Betriebsarten eines Mikrocontrollers gedacht, der hinsichtlich seines Stromverbrauchs für einen IoT-Knoten optimiert ist. Wie den Angaben in der Tabelle zu entnehmen ist, sind die MCU-spezifischen Power-Modi von kritischer Bedeutung für einen extrem geringen Stromverbrauch.

Der WaitForInterrupt-Modus, der einfach das Abschalten des Takts für bestimmte Teile der Haupt-CPU bewirkt, kann in praktisch jeder Situation eingesetzt werden, da er praktisch keine Latenz besitzt. Der Power Policy Managers soll hauptsächlich prüfen, ob der IDLE- oder STANDBY-Modus in Frage kommen, die den Stromverbrauch beide deutlich senken (insbesondere letzterer).

Im STANDBY-Modus wird die Stromversorgung aller Peripherie-Bereiche abgeschaltet – mit Ausnahme der für den Aufweckvorgang erforderlichen Always-On-Logik. Der Echtzeit-Takt im Always-On-Bereich stellt das präzise Timing während dieses Zustands sicher. Der SRAM-Speicher des Bausteins wird in den Speichererhalt-Modus versetzt, und das Tastverhältnis der Stromversorgung wird so reduziert, dass einerseits der Stromverbrauch abgesenkt wird und andererseits wichtige Zustände erhalten bleiben, damit keine Register- oder Speicherinhalte verlorengehen.

Der SHUTDOWN-Modus ist hauptsächlich für Anwendungen gedacht, die über Stunden, Tage oder noch länger inaktiv sein müssen. Der Power Policy Manager nutzt diese Betriebsart in seiner Grundkonfiguration nicht. Die Applikation kann sie jedoch bei Bedarf direkt aufrufen, und der Entwickler kann den Power Policy Manager so modifizieren, dass er ebenfalls von diesem Modus Gebrauch macht.

Power Management als kritische Technologie im IoT

Der vorliegende Beitrag beschrieb ein integriertes Konzept für Power-Management-Software, die einen Power Policy Manager einschließt. Letzterem obliegt die Entscheidung, wann in eine Betriebsart mit reduzierter Leistungsaufnahme gewechselt wird, sowie die Wahl des optimalen Low-Power-Zustands, sodass sich weder der Entwickler noch die Applikation um diese Details kümmern müssen.

* Nick Latheby ist IoT Ecosystem und TI-RTOS Manager bei Texas Instruments.

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