26 ELEKTRO 12/2013 téma Měření a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika; Automatizační prvky Design s energeticky úspornými mikrokontroléry Historická perspektiva Před delší dobou, v roce 1976, se dostal na trh nový počítač: Cray 1. Tehdy byl na základě enormního výkonu svého proceso-ru 160 MIPs při taktovací frekvenci 80 MHz označen titulem Superpočítač. Výkon pro-cesoru však nebylo to jediné, v čem počítač Cray 1 zlomil všechny rekordy: spotřebovával 115 kW elektrické energie a byl umístěn ve skříni velikosti běžné telefonní budky. Aby se zabránilo roztavení přístroje v důsledku tep-la, které vyvíjel, bylo do celkové konstruk-ce integrováno mimořádně výkonné chladicí zařízení na bázi freonů. To bude nyní použi-to pro srovnání se současnou dostupnou tech-nologií mikrokontroléru Parallax Propeller. Jde o zařízení se 32bitovou sběrnicí oproti 64 bitům počítače Cray, ale výkon je rovněž 160 MIPs při taktovací frekvenci 80 MHz. Podstatný rozdíl (kromě rozměrů) předsta-vuje však odběr elektrické energie, díky kte-ré je tohoto výkonu dosaženo. Mikrokontro-léru Propeller stačí elektrická energie pouze 1 W, přičemž mnoho novějších zařízení dosa-huje ještě značně lepších hodnot. Počítač na bázi 64bitového dvoujádrového procesoru In-tel Atom, na kterém autor píše tento článek, spotřebovává tak málo energie, že zásuvko-vá lišta s funkcí rozpoznání protékající elek-trické energie, do které je počítač zapojen, ani nezaznamená, že je počítač zapnut.Vývoj technologie VLSI (Very Large Scal-le Integration) neodvratně vedl k počítačům, které vykazují výrazně lepší poměr mezi pra-covním výkonem a spotřebou elektrické ener-gie. Dřívější technologie čipů NMOS byly nahrazeny technologií CMOS, což mělo za následek ještě menší požadavky na spotře-bu energie. Speciálním znakem technologie CMOS je, že významné množství elektrické energie je odebíráno pouze tehdy, jestliže se změní stav logického zařízení. Znamená to, že vyšší taktovací frekvence odpovídajícím způsobem vede k větší spotřebě elektrické energie pro mikrokontrolér. Samostatná jed-notka MCU má tak dvojí přínos pro spotře-bu energie: statický a dynamický.Snížení statického napětí Zařízení spotřebovává energii v důsledku ztrátového proudu, a to i tehdy, když je tak-tovací frekvence vypnuta. U novějších zaří-zení jsou jednotlivé elektrické obvody směst-nány těsně k sobě, což snižuje izolační odpor a vede k poklesu napájecího napětí. Logika, která může pracovat při +1,8 V, je nyní rela-tivně hodně rozšířená, existuje však i logika, která vyjde i s napájecími napětími pouze +0,9 V. Tak může např. mikročip nanoWatt XLP řady P mikrokontrolérů PIC pracovat v rozsahu napětí +2,5 až +5,5 V až do maxi-mální taktovací frekvence 32 MHz. Jestliže dostačuje 16 MHz, lze napájecí napětí snížit až na +1,8 V, tedy jsou-li i periferní zařízení schopna pracovat s tímto nízkým napětím. To vede k omezení spotřeby elektrické energie jak v závislosti na napětí, tak i v závislosti na frekvenci. I skupina mikrokontrolérů EFM32 Gecko od společnosti Energy Micro je dob-rým příkladem. Tyto mikrokontroléry pracují v rozsahu napětí od +1,8 do + 3,8 V s maxi-mální taktovací frekvencí až 32 MHz.Snížení statické frekvence Jestliže nejsou k dispozici speciální reži-my úspory energie, měli by se uživatelé vždy zaměřit na to, aby vybrali co možná nejnižší taktovací frekvenci, se kterou lze uskutečnit požadovanou úlohu v daném čase. U tak jed-noduchého zařízení, jako je televizní dálkové ovládání, se proto často používá „frekvence quartzového oscilátoru“ 32 kHz.Dynamické škálování napětí V případě komplexních situací však tako-váto stálá nebo statická řešení nejsou příliš vhodná, protože se pracovní zatížení mění, a vysokorychlostní provoz musí proto zůstat „pro všechny případy“ zachován. V takových situacích může být použita technologie zná-má jako DVS (Dynamic Voltage Scaling), u které software analyzuje spotřebu proceso-ru a v závislosti na tom mění taktovací frek-venci a také napájecí napětí. Výpočet úspor je však přitom komplexní, protože je třeba zohlednit mnoho různých faktorů, jako např. také spotřebu paměti.Režim „dřímoty“ a režim spánku Dřívější mikroprocesory neměly k dispo-zici žádné speciální provozní režimy zřejmě proto, že jejich pracovní výkon byl natolik malý, že se případné „usnutí“ procesoru ne-jevilo jako příliš pravděpodobné. To se ale rychle změnilo zavedením přenosných digi-tálních zařízení napájených bateriemi. Poža-davky na design mobilních telefonů posunu-ly od té doby energeticky úsporné jednotky MCU a technologii akumulátorů dopředu. Jednou z prvních jednotek MCU s režimem nečinnosti byl Intel 80C51. Nová zařízení nyní disponují celými nabídkami úsporných režimů, které ve většině případů vypínají ur-čité funkce, jestliže nejsou potřebné. Vět-šina současných mikrokontrolérů se použí-vá k řízení v reálném čase, kde po krátkých špičkách aktivity často následují delší obdo-bí nečinnosti. Televizní dálkové ovládání je mimořádný případ, u kterého může být pro-Dr. William Marshall, RS Components Vzrůstající míra používání integrovaných mikrokontrolérů v elektronických přístrojích ve spojení s celosvětovou energetickou krizí donutila výrobce elektroniky k tomu, aby pře-zkoumali funkce úspory energie těchto přístrojů, které byly doposud ignorovány.Dr. William Marshall