בשעה שמתכננים מוצרים המיועדים להפעלה באמצעות סוללה, רצוי ביותר שחיי הסוללה יהיו ארוכים ככל האפשר. לגבי סוג התקנים המתפתח במהירות, הפעלה ממושכת מסוללה בודדת הופכת ליותר מאשר תכונה רצויה במפרט: היא מהותית עבור כל קונספט המוצר.
מוצרים אלה, המסווגים כללית כיישומים רגישים-לאנרגיה, כוללים מערכות מניית אנרגיה, אוטומציה של בתי-מגורים ובניינים, ומערכות אבטחה ורפואה (איור 1). הם לרוב מבוססים על מיקרו-בקר (micro-controller) וחייבים לפעול למשך תקופות ארוכות ביותר מתוך סוללה ראשונית יחידה.
ביישומים מסוימים, הגישה לצורכי החלפת הסוללה היא קשה או אף בלתי-אפשרית; באחרים המשתמש הסופי איננו מסוגל לשאת בעלות החלפת הסוללה.
יישומים כאלה משתמשים ב-MCU שהוא פעיל במחזור פעולה מאוד נמוך,והמשקיע אולי 99% -או אולי יותר, 99.9% זה לא חריג- מזמנו במצב של “שינה עמוקה”. הם “מתעוררים”, או בצורה מחזורית, או כתגובה לתמריץ כלשהו, מבצעים פעולה, וחוזרים לתרדמתם.
מאחר שהם מבלים חלק כה גדול מזמנם בשינה, ברור שפרמטר-מפתח בהשגת חיי סוללה מרביים יהיה צריכת הזרם במצבם הרדום.
אולם, ההבדל בין חיי שירות של שלוש או ארבע שנים, וכאלה שעוברים על 10 שנים, ומגיעים עד 20 שנה או יותר – מאותה הסוללה- טמון במתן תשומת לב מרובה לכל היבט של אופן שימוש המשימה במשאבי ה-MCU, וכיצד ה-MCU בעצמו מתוכנן למזער את צריכת האנרגיה בכל דרך.
20 שנה מתא בודד
סוללה בשימוש נרחב ביישומי MCU קטנים כגון חיישני סביבה מרחוק הוא תא המטבע-CR2032; זהו תא ראשוני ליתיום/ דו-תחמוצת המנגן 3 וולט.
ספק טיפוסי – לדוגמה Kodak – מציין את הקיבולת כ-230mAh למתח נקודת-סיום של 2 וולט בתוך 5.6 קילו-אוהם (כ-0.5 מילי-אמפר). בקצב כזה החיים שלו יהיו כ-400 שעות; יישומים רגישים לאנרגיה, לשם שינוי, עוסקים בחיי שירות מעל 200,000 שעות.
לתא מסוים זה חיי מדף או קצב פריקה-עצמית טובים מאור; דף הנתונים נוקב ב-10 שנים בקיבולת של 90%. באופן מקורב מאוד, הדבר שווה-ערך לפריקה רצופה של כ-0.25 מיקרו-אמפרים, ערך שקובע את דרישת הממוצע של היישום אם עליו להגיע לחיי סוללה של 10-20 שנים.
עם כמות הטעינה הסופית המושגת במהלך חיי התא, המתכננים צריכים למזער את מכפלת הזרם והזמן במהלך כל שלבי הפעולה של ה-MCU; לא רק שכל מיקרו-אמפר קובע, אלא גם כל מיקרו-שנייה שכל פעולה צורכת.
כדי למזער את צריכת הזרם במצב של שינה עמוקה, היה מקובל להשתמש בליבות 8-ביט (או 16-ביט) ב-MCUs המיועדים ליישומים רגישים-לאנרגיה. השיקול היה שליבות 8- ביט –אפילו בגרסאות מעודכנות המשמשות לעתים קרובות בתכנונים כאלה- הן קטנות, יש להן מעט שערים יחסית ורמות נמוכות של זרם סטטי או זליגה.
אולם,יישומים רבים דורשים עתה יותר כוח עיבוד מאשר ליבות 8-ביט יכולות לספק בנקל. בתחומים אחרים של יישומי MCU, משתמשים בוחרים לעתים קרובות לשדרג מסביבת 8-ביט ל-32-ביט. במקרה נמוך-הספק זה, הנחנו שהזרם הנצרך על-ידי ליבת 32-ביט במצב נמוך-ההספק שלו עשוי להיות גבוה במידה בלתי קבילה.
עם המגוון המלא של טכניקות תכנון בהספק נמוך הזמינות כיום למתכנני ה-ICs, ניתן לממש ליבת ARM 32-ביט המציעה מגוון של אופני הספק נמוך, טובים כמו או יותר טובים מאשר המתחרים 8-ביט שלהם, ובכך משיגים למרות זאת זמני השכמה מהירים.
ביצועי העיבוד הגבוהים יותר של מעבדי ה-32-ביט מאפשרים גם ל-MCU לסיים משימות מהר יותר, ובכך להיות מסוגלים לשהות יותר זמן במודים נמוכי-הספק אלה, דבר המפחית את צריכת ההספק הממוצעת עוד יותר.
פונקציות היקפיות נמוכות-הספק
מיטוב צריכת ההספק במצב-שינה של ה-MCU לצריכת ההספק הנמוכה ביותר דורש גישה הוליסטית לתכנון. בנוסף לליבה, יחידות נוספות ב-MCU יוסיפו לצרוך זרם כלשהו כאשר ההתקן נמצא במצב רדום; מייצבי מתח, מחוללי זרם ממתח, משווים לגילוי נפילות מתח, מעגלי הפעלה באיפוס וכד’.
כמעט בכל מקרה, קיימת פשרה פשוטה; ככל שמצב השינה עמוק יותר, וככל שיותר פונקציות היקפיות מנותקות כליל, משך זמן ההשכמה יהיה יותר ארוך עד שהשבב יהיה מוכן לבצע את משימת העיבוד שלו.
מאחר שהיישומים משתנים כה הרבה, חיוני שמתכנן ה-MCU יספק גמישות בצורה של מקבץ נרחב של מצבי כיבוי, כך שמתכנן המוצר יוכל להגיע לפשרה האידיאלית של הספק-סרק ומידת ההיענות עבור הפרויקט המסוים שלו.
תכנון מימוש ליבת ARM המגיעה לרמות הזרם במצב הרדום ביותר באזור הננו-אמפר הוא רק צעד אחד באסטרטגיה של אנרגיה נמוכה. הזמינות של כוח העיבוד של ליבת 32-ביט פותחת דרכים חדשות לניהול השימוש באנרגיה; בכל מקרה, השטח מתחת לעקומת הזרם המסופק ל-MCU במשך הזמן, מייצג את המטען הנלקח מהסוללה (איור 2 להלן).
על כך, כמו גם על המספרים המובילים של צריכת הזרם בתצורות ספציפיות, המתכנן צריך לשים לב מקרוב כדי למרב את חיי שירות הסוללה.
בערכת הפיתוח של המיקרו-בקר EFM32, מדידה זו מוסברת. חלק יסודי של מכלול הערכה הוא ה-Advanced Energy Monitor (איור 3). אמצעי זה מודד זרם ברציפות בפס ההספק המזין את ליבת ה-MCU; ממיר אנלוגי לדיגיטלי (ADC) דוגם את המתח על-פני הנגד ותוכנת ערכת הפיתוח משלבת את הקריאות כדי לקבל מדידה מדויקת של ההספק כפונקציה של זמן.
ליבת 32-ביט תבלה פחות זמן פעיל כדי לבצע משימה דומה מאשר MCU פחות עצמתי; באותו הזמן, ההספק הנצרך על-ידי הליבה הפועלת חייב להיות נמוך ככל האפשר. למתכנני IC הממוקדים על הספק נמוך יש גישה לשכלולי תכנון רבים כדי להשיג את מטרותיהם.
דוגמאות כוללות טכניקות כגון מיטוב מבני השעון עבור כל הלוגיקה הסינכרונית של השבב; וארגון מערכת האפיק והזיכרונות – הן ה-SRAM והן ההבזק- עבור מיתוג-ביטים מזערי בכל פעולה נתונה.
שימוש בכל סדרת המתודולוגיות של תכנון בהספק נמוך עשוי ליצור ליבת ARM Cortex-M3 אשר תריץ קוד ייצוגי, מזיכרון ההבזק, תוך שימוש של לא יותר מ-180A/MHz. שימוש זהיר באותן הטכניקות מבטיח שערך זה יופחת עד קצבי שעון נמוכים, ואיננו רק ערך של ביצועי-שיא.
השימוש של ליבת 3M בסט ההוראות Thumb2 גם עוזר להקטין את ה”זמן הפעיל”, לאחר שה-MCU הוער והוא מבצע קוד יישומים. עם תכונות כגון תפיסת הוראות כפולות של הוראות 16-ביט קומפקטיות, היעילות של ה-ISA Thumb2 מוכחת היטב.
על-ידי מזעור מכפלת זרם-זמנים-מיקרו שניות, יש למתכנן ה-MCU הרבה יותר אסטרטגיות לממש. אחת היא מזעור לא רק של הזמן שהליבה צורכת בעיבוד מעשי של קוד היישום, אלא גם קיצור העלייה בין מעורר ההשכמה – בין אם הוא מופק על-ידי מונה או על-ידי האירוע- וה-CPU המוכן לבצע “עבודה מעשית”.
דרך אחת לקצר את זמן ההתנעה טמון בציוד הליבה באותות שעון. ידוע היטב שכאשר מתנד-גביש מונע ממצב ניתוק, דרוש זמן מסוים למוצא שלו כדי להתייצב, לפני שניתן יהיה להשתמש בו כשעון המערכת.
כנגד זה, מתנד RC עשוי לא להיות מדויק דיו כבסיס זמן עבור כל המשימות שעל ה-MCU להשלים, אך הוא יפיק מוצא סדיר מהרגע שהוא מופעל.
חלק מהפיתרון של קיצור זמן ההשכמה מונח בשניהם; ה-CPU מתחיל לפעול מיד עם ההזנה, מסונכרן על-ידי מתנד ה-RC, ומעגל בקרה קטן מעביר את מקור השעון אל מתנד הגביש מיד עם התייצבותו. היעדר של דיוק בתדר במוצא מתנד ה-RC איננו משמעותי בשל מספר המחזורים היחסית קטן בו הוא בשימוש.
משימות פשוטות עוקבות את ליבת ה-MCU
על אף תשומת הלב המרובה הניתנת להספקת ההספק של ליבת עיבוד בעלת יכולת, והבאתה למצב ער בזמן הקצר ביותר האפשרי, מועיל עבור המתכנן – הן מתכנן השבב והן מתכנן המערכת – לשאול אם משימה נתונה זקוקה לליבה כלל: אפילו הליבה היעילה ביותר באנרגיה סוחטת את מטען הסוללה אם היא מתעוררת כדי לבצע משימה זניחה.
יישום –בשימוש, שוב, בדוגמה של החיישן הסביבתי- עשוי להיות דרוש כדי לבצע מדידות רגילות, אך רק כדי לדווח על מדידות אלו לאוגר נתונים מרכזי בפרקי זמן פחות קטנים.
הפעלת מחסנית התוכנה תקשורת-ממשק תדרוש ללא ספק שליבת ה-MCU תהיה ערה; אבל המינהג היותר שכיח של הפעלת ממיר אנלוגי-לדיגיטלי, ייזום המרה A/D, וצבירת התוצאה בזיכרון בעל הספק נמוך תצרוך הרבה פחות הספק אם ניתן לכוון את הציוד ההיקפי הנחוץ לפעול בצורה עצמאית תחת בקרה של מטריצת חיבורי-ביניים (איור 4).
מאחר שהיישומים כה שונים, חיונית ליישום מלא של קונספט זה דרגה גבוהה של גמישות בבחירת אילו יחידות פונקציונליות להפעיל, וכיצד עליהן לתקשר.
הוספת הצפנה במסגרת מאזן ההספק
ידוע היטב שבתהליכי מוליכים-למחצה CMOS מודרניים, העלות בתחום הסיליקון של הוספת פונקציות ל-IC בתור גושים מחווטים-קבוע עשויה להיות קטנה יחסית.
דבר זה מוליך לתוצאה מעט מנוגדת להיגיון שכדי להקטין את ההספק למינימום, האפשרות היעילה ביותר היא לעתים קרובות להגדיל את מספר השערים. עם טכניקות כגון תכנון עץ-שעון מתקדם, פתיקת שעון (clock gating) ומתגי הספק על-השבב, מתכנן ה-IC יכול בקלות לבטל פונקציות שאינן דרושות ברגע מסוים.
פונקציה אחת המבליטה גישה זו היא ההצפנה. אפילו נתונים הנראים רגילים מאובטחים כיום בצורה שגרתית על-ידי הצפנה, לרוב בעזרת האלגוריתם המכונה AES. זו איננה משימה מאתגרת עבור ליבת MCU 32-ביט, אך היא תופסת מספר משמעותי של מחזורי מעבד, ומגדילה את מכפלת המיקרו-אמפרים כפול מיקרו-שניות.
רובם של מחזורים אלה מנוצל לביצוע חישובי לולאה-פנימית מעטים באלגוריתם; הוספת גוש חומרה מאיץ AES מאפשרת ל-MCU להעביר את אלגוריתם ה-AES לחומרה מיוחדת, להמשיך בעיבוד אחר ולקבל את התוצאה המוצפנת (או המפוענחת) בחזרה, בהרבה פחות מחזורים.
סוג היישומים הרגישים-לאנרגיה, המתפתח במהירות – המאופיין על-ידי סוגי פרופיל-גבוה מועטים כגון מוני אנרגיה חכמים – מגדיר מחדש את פירוש ההזנה על-ידי סוללה של מוצר.
מוצרים אלה חייבים להציע חיי שירות בסוללה יחידה הדומים לחיי המדף של הסוללות עצמן, והם באותו תחום כמו פרקי הזמן המרביים שיצרני הסוללות מסוגלים לציין: עד, ואף מעבר, ל-20 שנה. רק מיקרו-בקר משולב מלא, על שבב יחיד, מציע פיתרון ממשי לתכנונים כאלה.
עם תשומת-לב מרובה לכל היבט של תכנון שבבים בהספק נמוך, אדריכל ה-IC יכול עתה להציע למתכנן המוצר את העוצמה של ליבות 32-ביט, ובאותו הזמן לצמצם את דרישות ההספק לחלקיק ממה שניתן היה בעבר.
*כתבה זו נמסרה באדיבות חברת מגוון טכנולוגיות
