La manière d`implanter un cœur de processeur compte pour

42 / L’EMBARQUÉ / N°1
Application  Microcontrôleur
Andreas Eieland,
Senior Product
Manager, Atmel
La manière d’implanter un cœur
de processeur compte pour
beaucoup dans sa consommation
Le terme « basse consommation » est tellement répandu qu’il a perdu aujourd’hui une
grande partie de sa signification. Du point de vue d’un fabricant de microcontrôleurs
(MCU), la basse consommation se définit par rapport à la concurrence. Dans cette
optique, tous les MCU basés sur un même cœur de processeur, comme le Cortex-M4
par exemple, n’ont pas la même enveloppe énergétique. Car la manière d’implanter
un cœur a un impact fort sur la consommation, comme l’explique ici Atmel.
A
fin de délivrer réellement
une basse consomma-
tion, les fabricants de sys-
tèmes intégrés (les IDM,
Integrated Device Manufacturers)
appliquent leurs propres technolo-
gies et leurs propres méthodologies
pour implanter un cœur de propriété
intellectuelle (ou IP) comme par
exemple le Cortex-M4 d’ARM. Dans
le cas d’Atmel, une solution spéci-
fique, baptisée picoPower, traite de
cette question essentielle.
Quand un MCU revendique le qua-
lificatif « basse consommation », il
faut que cela concerne un maximum
de cas d’utilisation. Or, il n’est pas
toujours simple de mesurer la
consommation dans toutes les condi-
tions possibles et imaginable.
D’où l’intérêt de pouvoir s’appuyer
sur toutes les subtilités d’une archi-
tecture pour obtenir une basse
consommation dans tous les cas de
figure. Et en parallèle de bien tenir
compte des benchmarks énergé-
tiques des MCU qui dépendent for-
tement du fonctionnement à la fois
statique et dynamique du composant.
En fonctionnement dynamique, la
fréquence d’horloge est forcément
importante, puisque la puis-
sance nominale d’un circuit Cmos
est consommée uniquement durant
les transitions entre états logiques.
Réduire la fréquence diminue donc
le nombre de transitions par seconde,
mais ne réduit pas pour autant le
nombre de commutations néces-
saires aux transistors pour accomplir
une tâche donnée. En revanche, l’im-
pact de la tension sur la consomma-
tion est exponentiel. Abaisser la ten-
sion d’alimentation apporte ainsi
beaucoup plus d’économies que de
réduire uniquement la fréquence.
Mais il n’est pas aussi simple de faire
fonctionner un circuit sous basse ten-
sion que de réduire sa fréquence.
Pour y parvenir, il faut travailler au
niveau du processus d’implantation
du cœur de processeur.
L’énergie statique, quant à elle, se
dissipe lorsque les portes Cmos sous
tension sont supposées être au repos.
Elle est théoriquement nulle. Mais en
pratique, avec les géométries
modernes, il est impossible de créer
des transistors dépourvus de courant
de fuite. En général, plus la géomé-
trie est fine, plus le courant de fuite
augmente. Ainsi, plus un circuit
intègre de transistors, plus sa dissipa-
tion statique augmente. Avec un pro-
cessus propriétaire à transistors à
faible fuites comme celui de la tech-
nologie picoPower, il est possible de
maintenir les fuites globales proches
du zéro théorique sans sacrifier la
performance.
Des modes de veille
optimisés
Dans un MCU, les transistors com-
mutant le plus vite et le plus souvent
se trouvent dans la mémoire Ram du
cœur et dans le cœur lui-même. Il
s’ensuit que les périodes où le cœur
et son sous-système sont actifs sont
celles où la dissipation de puissance
système est maximum.
Pour cette raison, les modes de veille
sont désormais omniprésents dans
les MCU. ARM a par exemple déve-
loppé le cœur Cortex-M4 avec deux
modes de veille qui arrêtent un plus
ou moins grand nombre d’horloges
système. Les IDM y ont ajouté des
modes de veille propres à leur
implantation, mais la plupart des
techniques mises en œuvre exigent
que le cœur s’arrête et stocke les
données système critiques dans des
registres spécifiques et dans la
mémoire Ram, prêtes à être réacti-
vées lors du « réveil » du processeur.
Une approche qui est consomma-
trice en temps, et qui dans une appli-
cation typique de MCU, diminue la
réactivité de l’application.
Ainsi, on comme on le voit, une
basse consommation dépend de
beaucoup plus de paramètres que de
la simple fréquence de commutation
des transistors. Elle résulte directe-
ment de l’architecture globale du
système. Et, c’est uniquement en
abordant la conception de l’architec-
ture de ce point de vue systémique
que l’IDM pourra développer une
solution réellement basse consom-
mation.
En prenant en compte tous les
aspects de la consommation, il est
ainsi plus aisé pour un IDM de
concevoir un MCU réellement basse
puissance. Par exemple, l’implanta-
tion du Cortex-M4 dans un proces-
sus à faible fuite donne de meilleurs
résultats qu’avec un processus haute
performance. Mais si la conception
système est trop centrée sur le cœur,
ce dernier devra intervenir pour
toutes les tâches, même les plus
banales. Par exemple, une simple
routine de service d’interruption,
même si elle n’engendre aucune
action, pourra exiger de sortir du
mode veille le cœur, la mémoire
AUTEUR

L’EMBARQUÉ / N°1 / 43
Application  Microcontrôleur
flash et d’autres modules système.
Avec un cœur haute performance
comme le Cortex-M4, sortir le cœur
et son sous-système d’un mode som-
meil profond, juste pour exécuter
une routine d’interruption ou
quelque autre tâche simple, s’avère
beaucoup plus long qu’exécuter la
tâche elle-même. Non seulement,
cela consomme une quantité non
négligeable d’une précieuse énergie
système, mais la plus grande partie
de cette énergie n’est consacrée
qu’au réveil du système.
Par une approche globale prenant en
compte plusieurs techniques basse
consommation complémentaires de
celles du cœur, un IDM peut déve-
lopper et implanter des fonctions
exploitant pleinement les transistors
à faibles fuites pour le cœur et pour
les périphériques, tout en réduisant
le temps passé à traiter des tâches. Il
est ainsi possible de maximiser la
durée des modes de fonctionnement
basse consommation.
L’approche holistique est rapidement
apparue comme la plus pertinente et
la plus efficace pour optimiser l’éner-
gie. C’est par l’ampleur de son utili-
sation que les IDM qui mettent en
œuvre des cœurs Cortex-M4
peuvent se différentier réellement
entre eux.
Limiter les pertes actives
Avant que l’énergie statique ne
devienne un critère majeur en
conception système, l’énergie active
(ou dynamique) était sans doute le
seul point intéressant la plupart des
équipes d’ingénierie.
L’un des moyens de minimiser la
consommation active est de jouer
sur l’efficacité de l’entrée et
de la sortie des modes de veille. Plus
vite l’horloge système est rétablie,
plus vite le cœur peut accomplir sa
tâche et moins il consomme d’éner-
gie active.
Au-delà de ces approches tradition-
nelles, il est possible d’implanter des
fonctions pouvant s’exécuter indé-
pendamment du cœur, comme des
périphériques intelligents et auto-
nomes, capables de traiter les entrées
et sorties sans intervention du CPU.
C’est la voie suivie par Atmel. Ces
périphériques fonctionnent avec une
horloge dédiée, de sorte que le cœur
reste plus longtemps en mode veille.
De plus, grâce à des mécanismes
d’intercommunication soigneuse-
ment architecturés, ces périphé-
riques peuvent aussi échanger des
données via des bus partagés, et sont
capables de prendre des décisions
intelligentes sur la base de stimuli
externes, sans avoir à réveiller le
cœur (SleepWalking).
Le fonctionnement autonome des
périphériques est maintenant
reconnu comme l’un des piliers de
la basse consommation. Mais il est
crucial, à nouveau, que leur implan-
tation soit cohérente avec l’architec-
ture système globale. S’ils doivent
se charger de tâches normalement
effectuées par un cœur haute per-
formance, il est essentiel que les
périphériques soient capables
d’une réponse quasi temps réel.
Par exemple, le système
d’« événements périphé-
riques » (Peripheral Event Sys-
tem) du microcontrôleur
SAM4L d’Atmel est indépendant
à la fois du CPU et de son système
d’horloge. Avec son propre
contrôle d’accès à l’horloge temps
réel, il continue à fonctionner
lorsque le CPU et l’horloge système
sont arrêtés. Cette approche basse
consommation a été mise en œuvre
pour la première fois dans sa famille
8 bits AVR XMEGA d’Atmel. Elle se
poursuit aujourd’hui avec le SAM4L,
qui est son premier dispositif pico-
Power à cœur Cortex-M4. La tech-
nologie picoPower optimise trois
aspects du fonctionnement d’un
MCU qui sont fondamentaux pour
sa consommation : le mode veille, le
mode actif et la durée du réveil.
Avec le SAM4L, la technologie mise
en œuvre permet d’obtenir une
consommation en mode actif de
90 μA/MHz, considérablement plus
basse que celle de la plupart des
MCU du marché. En partie grâce au
développement d’un régulateur ultra
basse consommation qui non seule-
ment abaisse la tension pour la majo-
rité des portes commutant le plus
fréquemment, mais le fait avec un
très haut rendement. Grâce à une
conception globale qui englobe aussi
le processus de fabrication, le SAM4L
est capable de fonctionner sous une
tension aussi basse que 1,62 V. En
mode WAIT avec rétention de la
Ram, il consomme tout juste 1,5 μA.
Avec un temps de réveil inégalé de
moins de 1,5 μs, cela abaisse la
consommation totale. En mode
veille, le courant drainé par le SAM4L
est ramené à 0,5 μA, l’horloge temps
réel étant toujours active et le temps
de réveil restant inférieur à 2 μs.
En sélectionnant un microcontrôleur
Cortex-M4 pour leurs projets, les
développeurs de systèmes embar-
qués devraient tester les dispositifs
qui les intéressent avec un bench-
mark standard comme le CoreMark
de l’Embedded Microprocessor
Benchmark Consortium (EEMBC). Le
CoreMark mesure la quantité d’éner-
gie nécessaire à un dispositif pour
exécuter un jeu standard de fonc-
tions. Les fabricants de MCU se
battent continuellement pour obtenir
la plus basse consommation et les
meilleures optimisations système. Il
est essentiel dans ces avancées
d’équilibrer la facture énergétique
sans compromettre la performance
du MCU et la réactivité de l’applica-
tion. Les résultats préliminaires des
benchmarks du SAM4L le posi-
tionnent, à cet égard, dans les pre-
miers rangs des dispositifs dispo-
nibles aujourd’hui. n
Réveil rapide
1,5 µs
90 µs/MHz
700 nA
Temps
Cortex-M4 avec instructions
DSP
La technologie picoPower en action
Système d’événements
SleepWalking
DMA
Gestion d’alimentation
haute efficacité
Boucle à fréquence asservie
numérique (DFLL)
Consommation d’énergie
ENVELOPPES ÉNERGÉTIQUES
Le microcontrôleur SAM4L d'Atmel atteint
28 CoreMark/mA avec l'environnement
IAR Workbench 6.40.
● Dans un
microcontrôleur,
comme ici
le SAM4L
d'Atmel basé
sur un cœur
Cortex-M4
d'ARM,
les techniques
de design
mises en œuvre
ont une forte
influence sur la
consommation
globale
du système.

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