1理解Thumb-2

首先，讓我們從一個看起來并不明顯的起點開始討論節能技術—指令集。所有Cortex-MCPU都使用Thumb-2指令集，它融合了32位ARM指令集和16位Thumb指令集，并且為原始性能和整體代碼大小提供了靈活的解決方案。在Cortex-M內核上一個典型的Thumb-2應用程序與完全采用ARM指令完成的相同功能應用程序相比，代碼大小減小到25%之內，而執行效率達到90%(當針對運行時間進行優化后)。

Thumb-2中包含了許多功能強大的指令，能夠有效減少基礎運算所需的時鐘周期數。減少時鐘周期數意味著現在你能夠以更少的CPU功耗完成手頭的工作。例如，假設要完成一個16位乘法運算(如圖1所示)。在一個8位8051內核的MCU上執行這個運算將需要48個時鐘周期，并占用48字節的Flash存儲空間。使用一個16位內核的MCU(例如C166)執行相同的運算需要8個時鐘周期，并占用8字節的Flash存儲空間。相比之下，在使用Thumb-2指令集的Cortex-M3內核中完成相同運算僅僅需要1個時鐘周期，并占用2字節的Flash存儲空間。Cortex-M3內核能夠通過使用更少時鐘周期完成相同任務，節省了能耗;同時也能夠通過占用極少的Flash存儲空間，減少Flash存儲器訪問次數，實現最終能耗節省的目標(除此之外，更小的應用代碼也使得系統可以選擇更小的Flash存儲器，進一步降低整體系統功耗)。

圖1 時鐘周期數對比

圖2ARM7和Cortex-M3的中斷響應

2中斷控制器節能技術

Cortex-M架構中的中斷控制器(Nested Vectored Interrupt Controller or NVIC)在降低CPU功耗方面也起著關鍵作用。以前的ARM7-TDMI需要“多達”42個時鐘周期，Cortex-M3 NVIC從中斷請求發生到執行中斷處理代碼僅需要12個時鐘周期的轉換時間，這顯然提高了CPU執行效率，降低了CPU時間浪費。除了更快進入中斷處理程序之外，NVIC也使得中斷之間切換更加高效。

在ARM7-TDMI內核實現中，需要先花費數個時鐘周期從中斷處理程序返回主程序，然后再進入到下一個中斷處理程序中，中斷服務程序之間的“入棧和出棧(push-and-pop)”操作就要消耗多達42個時鐘周期。而Cortex-M NVIC采用更有效的方法實現相同任務，被稱為“末尾連鎖(tail-chaining)”。這種方法使用僅需6個時鐘周期處理就能得到允許，進入下一個中斷服務程序的所需信息。采用末尾連鎖，不需要進行完整的入棧和出棧循環，這使得管理中斷過程所需的時鐘周期數減少65%(如圖2所示)。

3存儲器節能注意事項

存儲器接口和存儲器加速器能夠明顯影響CPU功耗。代碼中的分支和跳轉可能會對為CPU提供指令的流水線產生刷新影響，在這種情況下CPU需要延遲幾個時鐘周期以等待流水線重新完成填充。在Cortex-M3或Cortex-M4內核中，CPU配備了一條3級流水線。刷新整條流水線將導致CPU延遲3個時鐘周期，如果有Flash存儲器等待狀態發生，時間會更長，以便完成重新填充過程。這些延遲完全浪費功耗，沒有任何功用。為了幫助減少延遲，Cortex-M3和M4內核包括一個被稱為推測取指(Speculative Fetch)的功能，即它在流水線中對分支進行取指的同時也取指可能的分支目標。如果可能的分支目標命中，那么推測取指能夠把延遲降低到1個時鐘周期。雖然這個特性是有用的，但顯然不夠，許多Cortex-M產品供應商都增加了自己的IP以增強這個能力。

舉個例子，即使在廣受歡迎的ARMCortex-M類的MCU中指令緩沖的運行方法也有不同。采用簡單指令緩沖的MCU，例如來自Silicon Labs的EFM32產品，可以存儲128x32(512 bytes)的目前大多數當前執行指令(通過邏輯判斷請求的指令地址是否在緩沖中)。EFM32參考手冊指出典型應用在這個緩沖中將有超過70%的命中率，這意味著極少的Flash存取、更快的代碼執行速度和更低的整體功耗。相比之下，采用64x128位分支緩沖器的ARMMCU能夠存儲最初的幾條指令(取決于16位或32位指令混合，每個分支最多為8條指令，最少為4條指令)。因此，分支緩沖實現能夠在1個時鐘周期內為命中緩沖的任何分支或跳轉填充流水線，從而消除了任何CPU時鐘周期延遲或浪費。兩種緩沖技術與同類型沒有緩沖特性的CPU相比，都提供了相當大的性能改善和功耗減少。

4 M0+內核探究

對功耗敏感型應用來說每個nano-watt都很重要，Cortex-M0+內核是一個極好的選擇。M0+基于Von-Neumann架構(而Cortex-M3和Cortex-M4內核是Harvard結構)，這意味著它具有更少的門電路數量實現更低的整體功耗，并且僅僅損失極小的性能(Cortex-M0+的0.93DMIPS/MHz對比Cortex-M3/M4的1.25DMIPS/MHz)。它也使用Thumb-2指令集的更小子集(如圖3所示)。幾乎所有的指令都有16位的操作碼(52x16位操作碼和7x32位操作碼;數據操作都是32位的)，這使得它可以實現一些令人感興趣的功能選項以降低CPU功耗。

圖3 Cortex-M0+指令表

節能性功能選項首要措施就是減少Flash存儲訪問次數。一個主要的16位指令集意味著你可以交替時鐘周期訪問Flash存儲器(如圖4所示)，并且可以在每一次Flash存儲訪問中為流水線獲取兩條指令。假設你在存儲器中有兩條指令并對齊成一個32位字;在指令沒有對齊的情況下，Cortex-M0+將禁止剩余的一半總線以節省每一點能耗。

圖4 基于Cortex-M0+的交替時鐘周期flash存儲訪問

此外，Cortex-M0+內核也可以通過減少到兩級流水線而降低功耗。在通常的流水線處理器中，下一條指令在CPU執行當前指令時被取出。如果程序產生分支，并且不能使用下一條取出的指令，那么被用于取指(分支影子緩沖器)的功耗就被浪費了。在兩級流水線中，這個分支影子緩沖器縮小了，因此能耗得以節省(雖然僅有少量)，這也意味著在發生流水線刷新時，僅需要不到一個時鐘周期就能重新填充流水線(如圖5所示)。

圖5 流水線和分支影子緩沖

圖6 Cortex-M既有的低功耗模式

5利用GPIO端口節能

Cortex-M0+內核提供節能特性的另一個地方是它的高速GPIO端口。在Cortex-M3和Cortex-M4內核中，反轉一位或GPIO端口的過程是“讀-修改-寫”一個32位寄存器。雖然Cortex-M0+也可以使用這個方法，但是它有一個專用的32位寬I/O端口，可以采用單時鐘周期訪問GPIO，使得它能夠高效的反位/引腳反轉。注意：在Cortex-M0+上，這是一個可選的特性，并不是所有供應商都具備了這個有用的GPIO特性。

6 CPU的休眠模式

減少CPU功耗的最有效方法之一是關閉CPU自身。在Cortex-M架構中有多種不同的休眠模式，每一種都在功耗和再次執行代碼的啟動時間之間進行了折中考慮(如圖6所示)。它也能夠讓CPU在完成中斷服務后自動進入某個休眠模式，而不需要執行任何代碼去完成這個工作。這種方法可以為那些常見于超低功耗應用中的任務節省CPU時鐘周期。

在深度睡眠模式下，也可以使用喚醒中斷控制器(WIC)來減輕NVIC負擔。在使用WIC時，為實現低功耗模式下外部中斷喚醒CPU，無需為NVIC提供時鐘。

7自主型外設可減輕CPU負荷

自主型片上外設具有降低功耗的優點。大多數MCU供應商已經在本身產品架構中實現了外設之間的自主型交互，例如Silicon Labs的EFM32 MCU使用的外設反射系統(PRS)。自主型外設能夠實現十分復雜的外設動作鏈(觸發而不是資料傳輸)，同時保持CPU處于休眠狀態。例如使用EFM32 MCU上的PRS功能，應用能夠被配置為在CPU休眠的低功耗模式下，當片上比較器檢測電壓值超過了其預設的門限值，則觸發一個定時器去開始減數。當定時器到達0時，觸發DAC去開始輸出—所有事件發生過程中CPU可以一直保持休眠狀態。

自動進行如此復雜的交互，這使得外設之間能夠完成大量工作而無需CPU參與。此外，帶有內建智能的外設(例如傳感器接口或脈沖計數器)能夠通過預設的條件用于中斷喚醒CPU，例如在累積10個脈沖時中斷喚醒CPU.在這個例子中，當CPU被特定中斷喚醒時，它明確知道需要做什么，而不需要檢查計數器或寄存器以判別發生了什么，因此可以節省相當多的時鐘周期，更好的完成其他重要任務。

我們已經介紹了多種易于實現的減輕Cortex-M設備上CPU功耗的方法。當然，還有其他因素影響功耗，例如用于加工設備的處理工藝或者用于存儲應用代碼的存儲器技術。工藝和存儲技術能夠顯著影響運行時功耗和低功耗模式下的漏電，因此也應當納入嵌入式開發人員的整體功耗設計考慮之中。