MSP430_uC_dla_oszczedzajacych_energie.pdf

Dodatkowe materiały

do artykułu

publikujemy na CD-EP

MSP430

µC dla oszczędzających energię

Zagadnienie energooszczędności

urządzeń elektronicznych

niezmiennie pozostaje w centrum

zainteresowania. Nosimy przy

sobie masę elektronicznych

zabawek, których postępująca

miniaturyzacja objęła również

źródła energii. Wokół czyha

sieć inteligentnych czujników,

bezprzewodowych transmiterów

i podobnych gadżetów, których

nowoczesność mierzy się

miesiącami pracy bez wymiany

baterii. Świat oszczędza energię.

cięzcą MSP430. Gdyby jednak su-

miennie policzyć wydajność obli-

czeniową każdego z konkurentów,

bezapelacyjnie wygrałby nowoczes-

ny produkt Intela. Zawdzięcza to

nowoczesnemu procesowi technolo-

gicznemu i obniżeniu napięcia za-

silania. Jednak to MSP430 uważany

jest w tym gronie za mikroprocesor

energooszczędny – nie technologia

jest najważniejsza. Co jeszcze o tym

decyduje? Jakie parametry pozwalają

na taką klasyﬁkację? I w końcu, jak

zbudować urządzenie bateryjne?

Struktura CMOS, a w takiej

technologii produkuje się dzisiaj

mikrokontrolery, prawie nie pobiera

prądu w stanie statycznym. Przyj-

muje się też, że pobór prądu wzra-

sta w przybliżeniu liniowo wraz ze

wzrostem częstotliwości przełącza-

nia. Wynika z tego, że wzrost szyb-

kości obliczeniowej musi pociągnąć

za sobą wzrost poboru prądu. Za-

tem redukcja szybkości pracy na

pewno przyniesie oszczędność ener-

gii. I to jest recepta druga.

Wiele mikrokontrolerów można

spowolnić do częstotliwości kil-

kudziesięciu kHz i uzyskać pobór

prądu liczony w dziesiątkach mA.

Nie jest to jednak praktyczne roz-

wiązanie – spowolniony system po-

trzebuje dużo czasu aby zareagować

na bodźce, a wszystkie operacje

ciągną się w nieskończoność. Może

zamiast spowalniać system, lepiej

będzie wyłączać go całkowicie?

Pomysł świetny, przynosi ogrom-

ne oszczędności, ale taki system

w ogóle przestaje reagować na oto-

czenie. Recepta druga też nie jest

optymalna.

A może złoty środek? Ow-

szem, wyłączyć należy wszystko,

co nie jest niezbędne, a pozostawić

w pełnej gotowości elementy odpo-

wiedzialne za reakcję na bodźce.

W razie konieczności cały system

rusza do działania.

Okazuje się, że najmniej po-

trzebną mikroprocesorowi do pracy

częścią jest... sam mikroprocesor,

a właściwie jego jednostka central-

na, która nie zawsze ma zadania

do wykonania, ponadto jest głów-

nym konsumentem energii. Recepta

trzecia – wyłączmy jednostkę cen-

tralną. Architektura, która pozwala

wyłączyć większość bloków i akcep-

tuje bezczynność jednostki central-

nej, pozwala budować najbardziej

energooszczędne aplikacje.

Wykorzystanie takiej architektury

implikuje również sposób budowa-

nia aplikacji, której zadaniem, to

nie żart, jest jak najdłuższe pozo-

stawanie w bezczynności.

Na pytanie, co sprawia, że nie-

które procesory zużywają mniej

prądu a inne więcej, niechybnie

padnie odpowiedź: energooszczęd-

ność mikroprocesora wynika z tech-

nologii, w jakiej został wykonany

– technologia jest receptą na ener-

gooszczędność.

Przykładowo mikroprocesor

80C286, wyprodukowany przez In-

tersil, będący oszczędną i szybką

wersją popularnego PC-towego proce-

sora, przy szybkości pracy 12 MHz

pobiera ok. 1,3 W mocy; procesor

CoreDuo o zegarze 1,8 GHz ok.

30 W; At89C2051 i Atiny2313 przy

szybkości 12 MHz – ok. 17 mW,

a MSP430F2131 przy szybkości

12 MHz – ok. 10 mW. Kto jest mi-

strzem oszczędności? Proste przeli-

czenie współczynnika poboru mocy

do szybkości taktowania czyni zwy-

MSP430 i energooszczędność

W procesorach MSP430 zawarto

szereg elementów pozwalających na

realizację powyższych recept. Jed-

nostka centralna jest odrobinę bar-

dziej oszczędna podczas pracy z peł-

ną szybkością niż większość proce-

sorów. Oszczędności nie są wielkie,

ale można liczyć na zmniejszenie

poboru energii o kilkanaście procent

bez większego wysiłku. Układy pe-

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2008

Rys. 1. Schemat systemu zegarowego procesora MSP430F149

istotne, w trybie HF praca generato-

ra jest nadzorowana, i w razie kło-

potów generowany jest sygnał Oscil-

lator Fault (OFIFG). Trzecie źródło

taktowania to generator XT2, który

działa tylko w trybie HF, a jego

praca jest również nadzorowana.

Przykładowy program nadzoru-

jący uruchomienie generatora XT2

w procesorze serii F4xx przedsta-

wiono na list. 1 . Program włącza

generator XT2 i po skasowaniu ﬂagi

błędu generatora i odczekaniu oko-

ło 200 ms sprawdza, czy generator

poprawnie się uruchomił. Jeśli wy-

stąpił błąd, proces jest ponawiany.

Dopiero po poprawnym uruchomie-

niu sygnał XT2 jest kierowany do

taktowania systemu.

Wszystkie trzy sygnały mogą być

generowane jednocześnie i elastycz-

nie dołączane do szyn zegarowych

w trakcie działania programu. Cie-

kawe, że awaria sygnału taktującego

MCLK sterowanego kwarcem powo-

duje, że CPU jest przełączane na

taktowanie z DCO w celu kontynu-

acji pracy (np. wykonania próby po-

nownego uruchomienia generatora).

Z dostępnych sygnałów zegaro-

wych tworzone są trzy sygnały tak-

tujące: ACLK, MCLK i SMCLK.

Podstawowym sygnałem taktują-

cym jest sygnał zegarowy MCLK.

Służy on taktowaniu CPU i może

być wyłączany poleceniem progra-

mu. Jego źródłem może być każdy

z dostępnych generatorów. Sygnał

SMCLK służy taktowaniu peryfe-

riów: interfejsów, przetworników A/C

i liczników. Jego źródłem może być

DCO lub XT2 (XT1, gdy nie ma

XT2). Podobnie jak MCLK, może

on być wyłączony przez program.

Zwyczajowym źródłem taktowania

timerów (szczególnie do odmierza-

nia czasu) jest sygnał ACLK, który

w większości aplikacji współpracu-

ryferyjne można elastycznie konﬁgu-

rować, a także całkowicie wyłączyć.

Kluczowe są jednak dwa mechani-

zmy – rozbudowany system takto-

wania i system nadzorujący bezpo-

średnio redukcję mocy.

zacji FLL, sterowaną sygnałem od-

niesienia z generatora kwarcowego

LFXT1, co znacząco poprawia jego

precyzję. Generator LFXT1 (XT1)

jest obecny w każdym procesorze.

Posiada wbudowane kondensatory

i jest przystosowany do współpracy

przede wszystkim z zegarkowym re-

zonatorem kwarcowym (32768 Hz).

Kwarc zegarkowy ma tą zaletę, że

do pracy wymaga wyjątkowo małej

energii. Generator XT1 współpracuje

też z rezonatorem dużej częstotliwo-

ści i rezonatorem ceramicznym, ale

wtedy wymaga przełączenia w tryb

HF o większym zużyciu energii. Co

System taktowania

System taktowania obejmuje

trzy główne sygnały taktujące, któ-

re mogą pobierać sygnał zegarowy

z kilku źródeł. Służą one taktowa-

niu jednostki centralnej i liczników.

W procesorze istnieją jeszcze inne

generatory taktujące, ale nimi nie

będziemy się tutaj zajmować.

Na rys. 1 przedstawiono system

zegarowy procesora MSP430F149.

Sygnał taktujący można pobierać

z trzech niezależnych źródeł. Pod-

stawowe źródło, obecne w każdym

modelu procesora MSP430, to ge-

nerator DCO. W procesorach serii

F1xx nie jest on stabilizowany i je-

go dokładność nie jest lepsza niż

10%. Ponadto DCO jest podatny na

wpływ napięcia zasilania i tempera-

tury. Częstotliwość wyjściową gene-

ratora DCO można jednak regulować

w szerokim zakresie i z niewielkim

skokiem. W procesorach F4xx gene-

rator DCO jest objęty pętlą stabili-

List. 1

FLL_CTL1 &=~XT2OFF;

// włączenie generatora

// wykonaj w pętli

{

FLL_CTL0 &= ~XT2OF; // skasuj ﬂagę błędu XT2

for (i = 50000; i; i--); // poczekaj na start generatora

}

while (FLL_CTL0 & XT2OF);

FLL_CTL1 = SELS+SELM1;

// sprawdź poprawność startu

Tab. 1. Ustawienia trybów pracy

Tryb pracy SCG0 SCG1 OSCOFF CPUOFF CPU MCLK SMCLK ACLK DCO

AM 0 0 0 0 T T T T T

LPM0 0 0 0 1 N N T T T

LPM1 0 1 0 1 N N N T warunkowo włączony

LPM2 1 0 0 1 N N N T częściowo wyłączony

LPM3 1 1 0 1 N N N T N

LPM4 1 1 1 1 N N N N N

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2008

// SMCLK, MCLK = HF xtal

je z generatorem LFXT1 i kwarcem

zegarkowym.

OSCOFF i CPUOFF, lecz

używa makr. Jest to

praktyczne i bardziej bez-

pieczne. Ustawienie in-

nej kombinacji bitów, niż

zawarte w tab. 1, może

spowodować nieprawid-

łowe działanie procesora.

Modyﬁkacja stanu rejestru

SR może być realizowa-

na przez program lub automatycznie

przez system obsługi przerwań w wy-

niku nadejścia przerwania, które to

wymaga obsługi. W takim wypadku

procesor zostaje wybudzony ze stanu

o niskim poborze energii do trybu

aktywnego, co najmniej na czas reali-

zacji podprogramu obsługi przerwania.

Jak wygląda taki mechanizm?

Realizacja podprogramu obsługi

przerwania rozpoczyna się skopiowa-

niem na stos licznika programu PC

oraz rejestru SR ( rys. 3 ). Następnie

bity odpowiedzialne za tryb pracy,

zlokalizowane w SR, są zapisywa-

ne takimi wartościami, jak dla trybu

aktywnego, w wyniku czego procesor

uruchamia wszystkie wyłączone ze-

gary i podejmuje pracę. Do licznika

programu zostaje załadowany adres

procedury pobrany z wektora prze-

rwania i rozpoczyna się realizacja

podprogramu obsługi przerwania. Po

zakończeniu podprogramu odtwarzana

jest poprzednia wartość licznika pro-

gramu PC i zawartość rejestru RS,

a procesor powraca do trybu pracy,

w jakim pozostawał przed

pojawieniem się przerwania.

Program z list. 2 działa

dokładnie według tego sche-

matu. Program jest przygoto-

wany tak, aby do pracy nie

wymagał rezonatora. Roz-

poczyna się zatrzymaniem

watchdog’a , który w MSP430

uruchamia się domyślnie po

starcie programu. Następnie

konﬁgurowany jest port P1

Redukcja poboru mocy

W procesorach rodziny MSP430

wyróżnia się pięć trybów pra-

cy o ograniczonym poborze energii.

O trybie pracy, w jakim pozostaje

procesor, decyduje zawartość rejestru

R2 ( tab. 1 ), pełniącego rolę rejestru

statusu (SR).

W trybie aktywnym AM ( Active

Mode ), gdy procesor działa z pełną

szybkością, pobór prądu wynosi ok.

280 mA przy 1 MHz ( rys. 2 ). Naj-

większy spadek poboru mocy osią-

gamy poprzez wyłączenie CPU (tryb

LPM0). Ponieważ jednak generator

DCO jest w pełni aktywny, pobór prą-

du jest nadal spory. W trybach LPM1

i LMP2, DCO jest wyłączony lub

częściowo wyłączony, co ogranicza po-

bór prądu do ok. 15 mA. Tryb LPM3

jest najszerzej używany w aplikacjach

o bardzo małym poborze prądu. Do

skutecznego użytkowania LPM3 ko-

nieczne jest działanie generatora XT1.

Włączenie trybu LPM3 i taktowanie

częstotliwością zegarkową daje świet-

ne rezultaty. Najniższym trybem pra-

cy jest LPM4, gdzie przy znikomym

poborze prądu, podtrzymywany jest

stan pamięci RAM, a procesor może

reagować na zewnętrzne przerwania

(np. od portów P1 i P2).

W praktyce programista nie operu-

je bezpośrednio bitami SCG0, SCG1,

Rys. 3. Algorytm podprogramu obsługi przerwania

(dołączona dioda LED) oraz licznik Ti-

merA tak, aby był taktowany z zegara

SMCLK, a pośrednio z DCO. Ostatnią

wykonaną instrukcją jest makro __

low_power_mode_0() , czyli instruk-

cja asemblera bis.w #CPUOFF,SR .

Procesor zatrzymuje się, a następujące

po niej makro _NOP() ( No Opera-

tion ) nigdy nie zostanie wykonane.

Przepełnienie licznika generuje prze-

rwanie o wektorze TimerA0_vector ,

w obsłudze którego występuje zmiana

stanu sygnału sterującego świeceniem

diody LED. W tym czasie procesor

pobiera ok. 280 mA prądu, a podczas

oczekiwania na nadejście przerwania

ok. 65 mA.

Gdy zachodzi potrzeba, aby

w wyniku nadejścia przerwania, zo-

stała wykonana też część programu

zlokalizowana np. w pętli głównej,

konieczne jest wykonanie dodatkowej

operacji, aby procesor pozostał aktyw-

ny również po zakończeniu obsługi

przerwania.

Operacja polega na zmodyﬁkowa-

niu zlokalizowanej na stosie kopii re-

jestru SR. Zmieniona wartość powinna

odpowiadać wartości charakterystycz-

nej dla trybu aktywnego. W takim

wypadku, po zakończeniu podprogra-

mu obsługi przerwania i odtworzeniu

zawartości PC i SR ze stosu, procesor

pozostaje w stanie aktywnym i może

kontynuować wykonywanie programu

( rys. 4 ).

Według tego właśnie schematu

działa program z list. 3 . Instrukcję

zmiany stanu sygnału sterującego dio-

dą LED przeniesiono do pętli głównej

programu. Po niej wykonywana jest

instrukcja wprowadzenia trybu LPM0.

Wykonanie podprogramu obsługi prze-

rwania wraz z makro __low_po-

wer_mode_off_on_exit() , czyli

asemblerowe bic.w #(CPUOFF+OS

COFF+SCG0+SCG1),0(SP) pozwala

na wykonanie programu z pętli głów-

nej, aż do kolejnej instrukcji wpro-

wadzenia trybu LPM0. Należy jeszcze

wyjaśnić, że zawartość rejestru SR

może znajdować się poniżej szczytu

stosu. W asemblerze należy brać to

pod uwagę i odpowiednio kontrolo-

Rys. 2. Pobór prądu dla pięciu trybów pracy procesora

MSP430

List. 2

void main()

{

init_sys();

__low_power_mode_0();

// wprowadzenie LPM0

_NOP();

// ta instrukcja nie zostanie wykonana

}

#pragma vector=TIMERA0_VECTOR

__interrupt void Timer_A (void)

{

P1OUT^=BIT0;

// zmiana stanu, dioda LED

}

void init_sys()

{

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

P1DIR=0xff;

TACTL = TASSEL1 + TACLR; // SMCLK taktuje TimerA

CCR0 = 50000;

CCTL0 = CCIE;

TACTL |= MC1;

// włączenie timera

__enable_interrupt();

// główne przyzwolenie dla przerwań

}

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2008

List. 3

void main()

{

init_sys();

while (1)

{

P1OUT^=BIT0;

// zmiana stanu, dioda LED

dlatego kod z list. 4 nie zadziała po-

prawnie.

Zaprezentowane przykłady są naj-

prostsze z możliwych i nie wykorzy-

stują wszystkich możliwości ogranicza-

nia poboru mocy. Znacznie lepszym

rozwiązaniem byłoby, po zastosowa-

niu rezonatora zegarkowego, taktowa-

nie licznika TimerA z zegara ACLK

i wprowadzenie trybu LPM3, w któ-

rym pobór prądu wynosi 1...2 mA.

__low_power_mode_0();

// wprowadzenie LPM0

_NOP();

}

#pragma vector=TIMERA0_VECTOR

__interrupt void Timer_A (void)

{

__low_power_mode_off_on_exit(); // wyjście z LPMx

}

Rys. 4. Algorytm podprogramu obsługi przerwania z usunięciem trybu pracy LPM0

Energooszczędne aplikacje

– najważniejsze zasady

Na zakończenie kilka zasad, któ-

rych należy przestrzegać przy pro-

jektowaniu aplikacji o bardzo niskim

poborze energii. Przede wszystkim,

budowanie energooszczędnej aplika-

cji polega na odpowiednim stoso-

waniu trybów oszczędzania energii,

z naciskiem na użycie trybu LPM3

i wykonywanie programu tylko

w następstwie zdarzeń ( rys. 5 ).

Czas, gdy procesor działa w trybie

aktywnym, należy ograniczać, co ozna-

cza potrzebę tworzenia programu tak,

aby wykonywał się możliwie szybko.

W tym celu warto pamiętać o:

wać argument instrukcji. Na szczęście

kompilator języka w C dba o to, aby

makro __low_power_mode_off_on_

exit() operowało we właściwym

miejscu stosu.

W odróżnieniu od programu

z list. 3, w programie przedstawio-

nym na list. 4 programista zapomniał

w podprogramie obsługi przerwania

umieścić makro operujące na stosie,

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2008

List. 4

void main()

{

init_sys();

while (1)

{

P1OUT^=BIT0; // zmiana stanu, dioda LED

__low_power_mode_0(); // wprowadzenie LPM0

_NOP();

// ta instrukcja nie zostanie wykonana

Rys. 5. Przebieg pracy procesora w aplikacji

energooszczędnej

• ustawieniu wszystkich nieużywa-

nych linii I/O w tryb wyjścia,

• odpowiednim połączeniu wypro-

wadzeń rezonatorów kwarcowych.

Ważnym elementem konceptu jest

stosowanie generatora DCO do takto-

wania jednostki centralnej i peryfe-

riów. Producent deklaruje, że genera-

tor ten uruchamia się i uzyskuje sta-

bilny sygnał w czasie 6 ms ( rys. 6 ),

a nawet 2 ms w procesorach serii

F2xxx.

Po czasie 6 ms od pojawienia

się przerwania, procesor taktowa-

ny z DCO rozpoczyna wychodzenie

z trybu niskiego poboru energii (np.

LMP3) i podejmuje pracę. Żaden

generator kwarcowy nie uruchamia

się tak szybko, a ponadto, czas

jego uruchamiania może się wahać,

powodując zmienny czas reakcji na

zdarzenia.

cji najlepiej sprawdza się procesor

serii F4xx, który posiada licznik

BasicTimer , dedykowany do tego

typu zastosowań. Zamiast Basic-

Timera , w procesorach serii F1xx

można posłużyć się generatorem

TimerA . Przy taktowaniu z zegara

ACLK każdy z tych generatorów

może generować przerwanie z czę-

stością 1 Hz. W wyniku nadejścia

przerwania, w kilku instrukcjach

odświeżane są informacje o czasie

i dacie, a przez resztę czasu pro-

cesor przebywa w trybie LPM3.

Drugi ciekawy przykład to pilot

zdalnego sterowania. Tutaj również

ograniczenie poboru mocy jest bar-

dzo istotne, szczególnie wtedy, gdy

pilot nie jest używany. W takiej

aplikacji można nawet pokusić się

o zastosowanie trybu LPM4. Od-

powiednie podłączenie klawiatury

(nawet matrycowej) do portów P1

i P2, zapewni niezbędne do obu-

dzenia procesora przerwanie ze-

wnętrzne. Po podjęciu pracy pro-

cesor może zająć cię programową

stabilizacją generatora DCO lub

uruchomieniem generatora z re-

zonatorem kwarcowym (ceramicz-

nym). Nie brakuje na to czasu,

ponieważ bardzo szybka reakcja

na wciśnięcie klawisza nie jest po-

trzebna. Po wykonaniu polecenia

procesor powraca do trybu LPM4.

Mariusz Kaczor

Contrans TI

• budowaniu programu tak, aby

wykonywał zadania tylko w na-

stępstwie zdarzeń (przerwań),

• ograniczaniu wywoływania pod-

funkcji (niepotrzebne dodatkowe

skoki i operacje na stosie),

• stosowaniu tablic w miejsce ob-

liczeń, jeśli tylko jest to możli-

we,

• wykonywaniu skomplikowa-

nych obliczeń na rejestrach (lub

zmiennych lokalnych w języku

C),

• wyłączaniu zbędnych peryferiów,

• używaniu peryferiów (liczników,

bloków capture/compare ) do wy-

konywania zadań kontrolnych,

zamiast bezpośredniej kontroli

programowej

Rys. 6. Diagram przejść stanu pracy procesora w aplikacji

energooszczędnej

Pierwsze

energooszczędne

aplikacje

Na zakończenie

dwa przykłady energo-

oszczędnych aplikacji.

Świetnym przykładem

zastosowania redukcji

poboru mocy jest zegar

czasu rzeczywistego,

którego zadaniem jest

odliczanie czasu z moż-

liwie niskim poborem

energii. W tej aplika-

ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 8/2008

}

#pragma vector=TIMERA0_VECTOR

__interrupt void Timer_A (void)

{

}

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: