Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Návrh zařízení s energeticky úspornými jednočipovými počítači

Vzrůstající míra používání jednočipových počítačů (mikropočítače; microcontrollers) v elektronických přístrojích, ve spojení s celosvětovou energetickou krizí, donutila výrobce elektroniky k tomu, aby přehodnotili, jaké funkce pro omezení spotřeby energie budou ve svých elektronických přístrojích používat.

Ohlédnutí do minulosti

V roce 1976 se dostal na trh nový počítač: Cray 1. Tehdy byl na základě enormního výkonu svého procesoru 160 milionů instrukcí za sekundu při taktovací frekvenci 80 MHz označen titulem „superpočítač“. Výkon procesoru však nebylo to jediné, v čem počítač Cray 1 zlomil všechny rekordy: jeho spotřeba elektrické energie byla jen 115 kW a byl umístěn ve skříni velikosti běžné telefonní budky. Aby bylo zabráněno roztavení přístroje teplem, které vyvíjel, bylo do jeho konstrukce integrováno vysoce výkonné chladicí zařízení s freonovým chladivem.

To nyní použijme pro srovnání se současným mikropočítačem Parallax Propeller. Jde o zařízení s 32bitovou sběrnicí (Cray měl 64bitovou), ale výkon je rovněž 160 milionů instrukcí za sekundu při taktovací frekvenci 80 MHz. Podstatným rozdílem, kromě rozměrů, je spotřeba elektrické energie, která je u mikropočítače Propeller pouze 1 W. Mnoho novějších zařízení dosahuje ještě značně nižších hodnot. Počítač, na kterém píšu tento článek, má 64bitový dvoujádrový procesor Intel Atom a spotřebovává tak málo energie, že zásuvková lišta s funkcí rozpoznání protékajícího proudu, do které je počítač zapojen, ani nezaznamená, že je počítač zapnutý.

Vývoj technologie VLSI (Very Large Scalle Integration) vedl k počítačům, které vykazují výrazně lepší poměr mezi pracovním výkonem a spotřebou elektrické energie. Dřívější čipy NMOS byly nahrazeny čipy CMOS, což mělo za následek další snížení spotřeby elektřiny. Speciálním znakem čipů CMOS je, že významné množství elektrické energie je odebíráno pouze tehdy, když se mění stav logického zařízení. Spotřeba roste s taktovací frekvencí.

Snížení napájecího napětí

Zařízení spotřebovává elektřinu v důsledku ztrátového proudu, a to i tehdy, když je taktování procesoru vypnuto. U novějších zařízení jsou jednotlivé elektrické obvody „směstnány“ těsně k sobě, což snižuje izolační odpor a vede k poklesu napájecího napětí. Logické obvody, které mohou pracovat při 1,8 V, jsou dnes relativně hodně rozšířené, existují však i takové, které pracují s napájecím napětím pouze 0,9 V. Tak může např. mikropočítač nanoWatt XLP řady P z kategorie mikropočítačů PIC (od firmy Microchip Technology; obr. 1) pracovat v rozsahu napájecích napětí 2,5 až 5,5 V až do maximální taktovací frekvence 32 MHz. Jestliže uživateli dostačuje 16 MHz, lze napájecí napětí snížit až na 1,8 V, tedy jsou-li také periferní zařízení schopna pracovat s tímto nízkým napětím. To vede ke snížení spotřeby elektrické energie jak v závislosti na napětí, tak i v závislosti na frekvenci. I skupina mikropočítačů EFM32 Gecko od společnosti Energy Micro (obr. 2) představuje dobrý příklad. Tyto mikropočítače pracují v rozsahu napětí od 1,8 do 3,8 V s maximální taktovací frekvencí až 32 MHz.

Snížení taktovací frekvence

Nejsou-li k dispozici speciální režimy úspory energie, měli by se konstruktéři vždy zaměřit na to, aby vybrali co možná nejnižší taktovací frekvenci, se kterou lze požadovanou úlohu v daném čase uskutečnit. Například u tak jednoduchého zařízení, jako je televizní dálkové ovládání, se proto často používá přímo frekvence primárního křemenného oscilátoru 32 kHz. 

Dynamické škálování napětí

U zařízení se složitější funkcí však takováto řešení nejsou příliš vhodná – zvláště tam, kde se pracovní zatížení v čase značně mění a pro zachování spolehlivosti a funkčnosti musí být k dispozici dostatečná výkonová rezerva. V takových situacích může být použita metoda DVS – Dynamic Voltage Scaling. Princip spočívá v tom, že software analyzuje spotřebu procesoru a v závislosti na tom mění taktovací frekvenci a také napájecí napětí. Výpočet úspor je přitom trochu složitější, protože je třeba zohlednit mnoho různých faktorů, např. rovněž spotřebu paměti.

Režim „dřímoty“ a režim spánku

Dřívější mikropočítače nedisponovaly žádnými speciálními provozními režimy, protože po nich nebyla poptávka. To se ale rychle změnilo zavedením přenosných digitálních zařízení napájených bateriemi. Požadavky na konstrukci mobilních telefonů posunuly dopředu vývoj akumulátorových baterií, ale i energeticky úsporných mikropočítačů. Jednou z prvních mikropočítačových jednotek (MCU) s režimem spánku byl Intel 80C51. Nová zařízení v současnosti mají hned několik úsporných režimů, které vypínají určité funkce, jež v daný okamžik nejsou potřebné. Většina současných mikropočítačů je využívána tak, že po krátkých špičkách aktivity často následují delší období neaktivity. Televizní dálkové ovládání je mimořádným případem, u kterého může být procesor vypnut celou dobu až do stisknutí tlačítka. Průměrná spotřeba elektrické energie je tedy často jen o málo vyšší, než je rychlost vybíjení baterie v klidovém stavu.

V průmyslových řídicích systémech je častou úlohou mikropočítače monitorovat údaje z připojených snímačů. Mikropočítačová jednotka, která je spojena se snímači, načítá analogové signály (nejčastěji v pevných časových intervalech), zpracovává je do digitální podoby a výsledky poté předává na sériovou sběrnici. V tomto případě je procesor „vzbuzen“ časovačem v každém intervalu měření. Je pro takovou úlohu vhodnější jednoduchý osmibitový mikropočítač, nebo rychlý 32bitový mikropočítač např. s jádrem Cortex M0? Na první pohled by měla být osmibitová MCU úspornější, protože je cenově výhodnější a po větší část pracovní doby je plně využívána. Ovšem 32bitové zařízení bude mít menší průměrnou spotřebu energie, protože měřicí signály zpracuje rychleji a zařízení poté „usne“. Existuje optimální taktovací frekvence, která však nemusí být nezbytně nejvyšší dostupnou frekvencí. Nejvyšší taktovací frekvence nepovede vždy k nejnižší průměrné spotřebě energie, protože s taktovací frekvencí roste příkon, takže zařízení sice pracuje krátce, ale s velkou spotřebou.

Dobrá zpráva pro ty, kteří nechtějí opustit osvědčené osmibitové mikropočítače (nejen z nostalgie, ale především pro kompatibilitu softwaru): jádro mikropočítače 8051 od společnosti Silicon Laboratories bylo výrazně vylepšeno s ohledem na efektivitu práce (méně taktovacích cyklů na instrukci) a celkovou taktovací frekvenci. Tyto mikropočítače umožňují vykonávat např. jednocyklové instrukce do 100 milionů instrukcí za sekundu.

Jsou-li používány režimy spánku, je důležitým faktorem doba probuzení. Oscilátory mohou pro vygenerování stabilního výstupu potřebovat až milisekundy a to představuje nevyužitý čas a zbytečnou spotřebu energie. Mikropočítačové jednotky NanoWatt proto mají „režim dřímoty“, ve kterém je taktovací frekvence procesoru nižší než taktovací frekvence periferních zařízení. To je vhodné v situacích, při kterých musí periferní zařízení pracovat plnou rychlostí, zatímco procesor čeká na přerušení od periferie. 

Energeticky úsporné napájení

Nyní jste nastavili svůj mikropočítač na co nejnižší spotřebu energie, ale jak je to s napájením? První volbou zřejmě bude lineární regulátor série 78xx, ale přestože jsou tyto ovladače stále populární, jsou v současnosti již považovány za zastaralé. Autoři namísto těchto ovladačů doporučují zvolit nový typ: LDO (Low Dropout), ačkoliv je o něco dražší.

Ovladač 7805 s výstupem 5 V má úbytek napětí na stabilizátoru (dropout) 2 V, tzn. že potřebuje vstupní napětí minimálně 7 V. Při maximálním proudu 1 A jde tedy o ztrátu minimálně 2 W, které se přemění na teplo a to je třeba odvést. U zařízení LDO je úbytek napětí na stabilizátoru snížen na asi 300 mV. V tomto případě lze použít síťový transformátor s nižším napětím, což také snižuje spotřebu (v současné době bude ovšem pravděpodobně použit ještě úspornější spínaný zdroj) a omezuje ztráty vlastního regulátoru. Jmenovitá hodnota napájecího proudu musí odpovídat špičkovým, a nikoliv průměrným hodnotám spotřeby.

Nakonec se na všechny nepoužívané vstu­py a výstupy instalují tzv. pull-up rezistory. Šum na beznapěťovém vstupu může sepnout interní elektronické obvody, a přestože budou výsledné signály blokovány, takže nedojde k žádným nevyžádaným operacím, přispívají k celkovému dynamickému proudu. Některá zařízení používají interní pull-up rezistory, ale názory na ně se různí – většina vývojářů dává z cenových důvodů přednost externím rezistorům.

Shrnutí

Náklady na elektřinu jsou v současné době na horní příčce žebříčku priorit. Naštěstí vedla poptávka po energeticky úsporných, bateriemi napájených zařízeních již před několika lety k vývoji energeticky úsporných mikropočítačů. A tyto nové součástky ve spojení s vhodným softwarem nyní přispívají k tomu, aby klesla spotřeba energie zařízení napájených ze sítě.

Literatura:

[1] SNOWDON, D. – RUOCCO, S. – HEISER, G.: Power Management and Dynamic Voltage Scaling: Myths and Facts. National ICT Australia and School of Computer Science and Engineering University of NSW, Sydney, 2005. Dostupné na <http://ertos.nicta.com.au/publications/papers/Snowdon_RH_05.pdf>, cit [11. 1. 2013].

[2] LARSEN, R. CH. – JANBU, Ř: Batteries worldwide celebrate the arrival of EFM 32, the world’s most energy friendly microcontrollers. Energy Micro, Oslo, Norway, 2010. Dostupné na <http://cdn.energymicro.com/dl/pdf/efm32_introduction_white_paper.pdf>, cit [11. 1. 2013].

[3] –: The New ARM Cortex-M0 Processor. Speciální vydání čtvrtletníku ARM IQ, březen 2009, roč. 8, č. 1. Dostupné na <http://ics.nxp.com/support/documents/microcontrollers/pdf/arm.cortex-m0.iq.pdf >, cit [11. 1. 2013].

[4] HOFMANN, M.: Practical Applications of Low-Power Design with nanoWatt XLP™. Microchip, 2009. Dostupné na <ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Future%20XLP%20Article.pdf >, cit [11. 1. 2013].

[5] –: Mixed-Signal 8-bit Microcontrollers (MCUs). Silicon Labs, 2012. Dostupné na <www.silabs.com/products/mcu/Pages/8-Bit-Microcontrollers.aspx>, cit [11. 1. 2013].

Dr. William Marshall, RS Components

Obr. 1. Mikropočítače NanoWatt XLP-P (Microchip Technology)

Obr. 2. Mikropočítač EFM32 Gecko (Energy Micro)