Freescale Semiconductor Document Number: AN4985 应用笔记 Rev. 0,09/2014 使用 Kinetis K22F 和 KV31F MCU 的高速运行模式 本应用笔记针对最新一代 Kinetis K22F 和 KV31F 系列微控制器撰写, 旨在解释该系列器件新运行模式的优点和用法, 即高速运行模式 (HSRUN) 这些 MCU 基于 120 MHz 和 100 MHz ARM Cortex -M4, 具有浮点单元, HSRUN 模式可发挥其最大性能, 具有业界一流的 CoreMark/MHz 评分 内容 1 高速运行应用... 2 2 使用高速运行模式... 2 3 Kinetis SDK 示例应用... 3 4 高速运行演示的关键源代码... 7 5 结果和结论... 9 6 参考资料... 11 7 修订历史... 11 添加 HSRUN 模式的总体思路是, 让系统设计人员可以配置 K 和 V 系列 MCU, 以实现最高频率, 尽可能快速地执行计算任务, 然后返回正常或低功率运行模式, 从而节省电力 2014 Freescale Semiconductor, Inc. All rights reserved.
高速运行应用 1 高速运行应用 新的 HSRUN 模式非常适合计算密集型应用, 包括传感器融合 能量计量和用于医疗保健器件的身体传感器数据 这些应用可能包括复杂的算法, 需要各种函数, 包括寄存器位操作 定点和浮点运算 大量的内存数据搬运等 实际上, 执行压缩 信号编码 / 解码或数学转换的算法在 HSRUN 模式下可显著缩短执行时间, 提高效率 显然, 这种性能提高是以电流消耗增加为代价的, 因此工作频率升高将成比例地增加功耗 考虑使用 HSRUN 模式时, 我们建议系统设计人员仔细考虑最高容许电流消耗 最高功耗和最终应用的工作温度 本文最后将提供演示代码, 基于 Kinetis SDK 平台 后者执行多重浮点快速傅立叶转换 (FFT), 作为 CPU 负载测试用例 此实际示例执行时间和功耗的比较数据将与分析技术一起共享 2 使用高速运行模式 在 HSRUN 模式下, 片上电压调节器保持运行调节状态, 同时启用更高电流容量模式 与正常 RUN 模式相比, 在此状态下,MCU 可以更高频率运行 器件参考手册中的 电源管理 一章介绍了最高准许频率 处于此模式时, 必须遵守以下限制 : 系统 总线 Flash 或内核时钟的最大容许频率变化限制为两倍 退出 HSRUN 模式前, 时钟频率应减小到 RUN 模式可接受的值 HSRUN 模式下, 不能直接进入 STOP 模式 禁止修改模块的时钟门控位 不允许进行 Flash 编程 / 擦除 要进入 HSRUN 模式,SMC_PMPROT 寄存器必须首先设置为允许 HSRUN 模式 该保护功能旨在防止意外进入不受支持的运行模式 配置保护后, 只需将 SMC_PMCTRL [RUNM] 设置为 HSRUN 值即可 提高时钟频率前, 应轮询 SMC_PMSTAT 寄存器以决定系统何时完成进入 HSRUN 模式 要重新进入正常 RUN 模式, 只需清除 SMC_PMCTRL [RUNM] 在 MCU 退出其复位流后, 任何复位也将清除 RUNM 并导致系统退出正常 RUN 模式 这些细节旨在解释器件寄存器的工作原理, 但应注意,Kinetis SDK API 完全支持这些字段的设置 本文将在下一节讨论 2 Freescale Semiconductor, Inc.
表 1 详述了 RUN 和 HSRUN 模式最常见的内部时钟设置, 如器件参考手册所述 Kinetis SDK 示例应用 表 1. 常见内部时钟设置 支持 120 MHz 的器件 支持 100 MHz 的器件 时钟 RUN 模式 RUN 模式 RUN 模式 RUN 模式 内核时钟 80 MHz 120 MHz 72 MHz 100 MHz 系统时钟 80 MHz 120 MHz 72 MHz 100 MHz 总线时钟 40 MHz 60 MHz 36 MHz 50 MHz FlexBus 时钟 20 MHz 30 MHz NA NA 3 Kinetis SDK 示例应用 Kinetis SDK (KSDK) 是一款软件开发套件, 可为具有 Cortex -M 内核的飞思卡尔 Kinetis 器件提供全面的内核与外设软件支持 KSDK 包括为每个外设提供的硬件抽象层 (HAL) 以及基于 HAL 的外设驱动程序 演示应用和驱动程序示例旨在演示驱动程序和 HAL 的用途以及突出显示目标 SoC 的主要功能 3.1 高速运行演示应用的说明 以下介绍的 highspeed_run_demo 是一个简单的基于 shell 的应用, 允许在 RUN 与 HSRUN 模式间安全切换, 另外包括 CPU 负载测试用例, 它采用自定义复杂 32 位浮点 FFT 算法形式 此 FFT 是时间抽取算法, 运算复杂性超过 ARM CMSIS-DSP arm_cfft_f32() 函数, 因此下文提及的运行时间不应视为任何类型的基准 演示负载测试在真实和虚拟数据数组上执行 512-bin 复杂 FFT, 每个数组包含 16 Kb 数据, 重复 N 次 目的是使用具有较长运行时间的负载测试来突出 HSRUN 模式在相同测试用例中相对于 RUN 模式的优势 3.2 安装高速运行演示 demo 本节中提供安装和测试演示应用所需的步骤, 最新 KSDK V1.0 RCS 版本中称为 highspeed_run_demo 安装 构建和运行 HSRUN 演示的步骤 : 1. 下载 KSDK V1.0 的最新版本 : http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=kinetis_sdk 2. 启动下载的可执行文件, 浏览 SDK 的安装对话 SDK 应安装在 <Install_dir>, 类似于 : C:\Freescale\KSDK_1.0.0\ 3. 在以下位置下载 highspeed_run_demo.zip 文件 : http://cache.freescale.com/files/microcontrollers/doc/app_note/an4985sw.zip?fpsp=1 Freescale Semiconductor, Inc. 3
Kinetis SDK 示例应用 4. 将提取自.zip 的 highspeed_run_demo 文件夹拖放至以下位置 : C\:<Install_dir>\demos 5. 在 highspeed_run_demo 文件夹内, 可找到用于被支持工具链的预构建项目文件夹 (IAR Keil ARM Gcc 或 Kinetis Design Studio) 在每个工具链的文件夹内, 可找到 frdmk22f120m 和 twrk22f120m, 其分别对应于 K22F 器件的 FRD 和 TWR 电路板 为所选工具链打开适当的文件夹, 然后打开适合特定设置的电路板类型的文件夹, 以找到 IDE 项目 6. 首先, 为 KSDK 库构建平台项目, 然后构建对应于所用工具链的 highspeed_run_demo 项目 有关每个工具链的详细构建程序, 请查看 Kinetis SDK K22 用户指南 (KSDKK22UG) 4 Freescale Semiconductor, Inc.
Kinetis SDK 示例应用 7. 打开终端应用 ( 本例中显示为 Tera Term): http://ttssh2.sourceforge.jp/index.html.en), 然后为具有以下设置的适当目标电路板配置虚拟 COM 端口连接 : 8. 切换回至 IDE 窗口, 启动调试器, 将代码编程至 FRDM-K22F120M 或 TWR-K22F120M 目标, 并运行应用 9. 当 highspeed_run_demo 执行时, 应出现如下所示的终端打印输出 : 10. 终端应用具有三个选项 : 用任一按键按下 0, 应用会将器件置于 120 MHz 的 HSRUN 模式 Freescale Semiconductor, Inc. 5
Kinetis SDK 示例应用 用任一按键按下 1, 应用会将器件置于 80 MHz 的正常 RUN 模式 按下 2 将以正弦波执行 2048 点 FFT 的 50 次迭代, 该正弦波已载入器件 SRAM 存储 器 FFT CPU 负载测试的运行时间将打印至终端窗口 6 Freescale Semiconductor, Inc.
高速运行演示的关键源代码 11. 在各运行模式 (HSRUN 和 RUN) 间切换, 然后为各模式执行 CPU 负载测试, 查看运行时间差异 HSRUN 模式 120 MHz 下,50 次 FFT 的典型结果约为 1 秒,RUN 模式 80 MHz 下, 相同的 50 次 FFT 约需要 1.5 秒 完成测试比 HSRUN 模式快 50%, 符合预期 4 高速运行演示的关键源代码 在 highspeed_run_demo 的根目录下,./src 目录包括该演示需要的所有特定演示源代码 配置 HSRUN 模式器件所需的数据结果和函数调用可在 highspeed_run_demo.c 的 hsrun_power_ modes_test() 函数内找到 该函数包括调用系统模式控制器平台库结构和 API, 可在 KSDK 内找到 以下大部分内容定义在 fsl_smc_hal.c/h 文件内, 位于 :<Install_dir>/platform/hal/smc/ 所有 KSDK API 的详细文档提供在 Kinetis SDK API 参考手册 (KSDKAPIRM) 中 变量说明一节中, hsrun_power_modes_test() 顶部 ( 可在 highspeed_run_demo.c 内找到 ), 定义了以下两个数据结构 这些结构例示了运行模式配置结构和功耗模式保护结构 : /* 说明功耗模式配置结构 */ smc_power_mode_config_t smcconfig; /* 说明 HSrun 的功耗模式保护 */ smc_power_mode_protection_config_t pmodes = {.vlpprot.llsprot.vllsprot = false, = false, = false,.hsrunprot = true }; 上述结构稍后将由代码内的 SMC HAL 函数 SMC_HAL_SetRunMode() 和 SMC_HAL_SetProtection() 使用 第一步是设置 HSRUN 模式保护 此函数设置 SMC_PMPROT 寄存器内的适当位值, 以支持 HSRUN 模式 /* 配置应用的功耗模式保护设置 */ SMC_HAL_SetProtection(SMC_BASE,&pmodes); Freescale Semiconductor, Inc. 7
高速运行演示的关键源代码 下一个可用的 SMC HAL 函数为 SMC_HAL_GetStat() 函数, 其用于以下 if() 语句, 以决定和打印 出器件当前运行模式, 同时测试函数的主要 while() 环路为 : if(smc_hal_getstat(smc_base)== kstatrun){ printf(" in Run Mode! "); } else if(smc_hal_getstat(smc_base)== kstathsrun) { printf(" in HS Run Mode! "); } 在 RUN 与 HSRUN 模式间执行实际切换的源代码可在 switch(testnum){} 语句中找到 在 case 0 语句中, 可发现将器件置于 HSRUN 模式的语句 CLOCK_HAL_SetOutDividers() 函数同时配置所有时钟输出分频器的设置 有关支持的时钟分频器值范围, 参见器件参考手册 /*HSRUN 模式的设置分频器 */ /* core/system=120(0),bus=60(1),flexbus=30(3),flash=24(4)[mhz]*/ CLOCK_HAL_SetOutDividers(SIM_BASE,0,1,3,4); SMC_HAL_SetRunMode() 函数将 SMC_PMCTRL[RUNM] 寄存器设置为 HSRUN 模式 /* 转至 HSRun*/ /* 将功耗模式设置为 HS Run 模式 */ SMC_HAL_SetRunMode(SMC_BASE,kSmcHsrun); 接着轮询 SMC_PMSTAT 寄存器, 以确认是否成功进入 HSRUN 模式 : /* 轮询 PMSTAT, 直至已进入 RUN 模式 */ while(smc_hal_getstat(smc_base)&&kstathsrun!= kstathsrun) {} 器件配置为在演示应用初始化过程中以 PEE 模式工作, 因此必须将 MCG 模式状态机转换回至 FBE 模式 接下来, 设置 PLL VCO 输出的 PLL 参考分频器 (PRDIV) 和分频比 (VDIV), 使其对应于 HSRUN 模式的有效设置 然后在 120 MHzHSRUN 模式下返回 PEE 模式 8 Freescale Semiconductor, Inc.
结果和结论 /* 配置和启用 HSRUN 模式的时钟 */ pee_pbe(clk0_freq_hz); pbe_fbe(clk0_freq_hz); fbe_pbe(clk0_freq_hz,pll0_prdiv_hs,pll0_vdiv_hs); mcgclkhz = pbe_pee(clk0_freq_hz); 器件现在应在 120 MHz PEE 和 HSRUN 下工作, 终端提示时将确认 或者, 如果检查 case 1 语句, 退出 HSRUN 模式和进入正常 RUN 模式所需的步骤和序列如下所示 : /* 配置和启用 RUN 模式的时钟 */ pee_pbe(clk0_freq_hz); pbe_fbe(clk0_freq_hz); fbe_pbe(clk0_freq_hz,pll0_prdiv,pll0_vdiv); mcgclkhz = pbe_pee(clk0_freq_hz); /*RUN 模式的设置分频器 */ /* core/system=80(0),bus=40(1),flexbus=20(3),flash=26.67(2)[mhz]*/ CLOCK_HAL_SetOutDividers(SIM_BASE,0,1,3,2); /* 目前处于 HS Run 退出 HS Run */ SMC_HAL_SetRunMode(SMC_BASE,kSmcRun); while(smc_hal_getstat(smc_base)&&kstatrun!= kstatrun) {} case 2 语句包含 RTC 跑表功能, 以测量运行时间, 以及执行 N 次 ( 默认代码设置为 50) 复杂浮点 FFT 的代码 5 结果和结论 本应用笔记介绍了新 Kinetis K22F 和 KV31F 器件系列支持的 HSRUN 模式 分享并详细介绍了演示应用 highspeed_run_demo 为进一步详述 HSRUN 模式奠定了基础, 本最终章节内分享的数据采集 demo 可以运行在 TWR-K22F120M 板上, 也可以在 FRDM-K22F120M 板上运行 在 demo 中,J15 被换成 10 欧姆的电阻, 这是为了监控 HSRUN 演示在执行期间的电流消耗 带有差分探头的示波器用于测量 10 Ω 寄存器两端的电压变化 此设置用于测量和记录 FFT 负载测试在 HSRUN 和正常 RUN 模式下的瞬态电流消耗 Freescale Semiconductor, Inc. 9
结果和结论 图 1 显示简单 FFT 迭代在 HSRUN@120MHz 和 RUN@80MHz 下的电流分布对比 图 1. 简单 FFT 迭代 ; 电流与时间对比 图 1 中的关键信息是每个运行模式曲线下方面积 该面积对应于在每个运行模式下完成相同任务所需的能量 在 HSRUN 模式 120 MHz 下执行的 FFT 需要的能量比正常 RUN 模式少 0.04 uwh 演示经修改后在 HSRUN 和正常 RUN 模式下执行 200 次复杂 FFT 迭代, 并编译成 Flash 和 SRAM 方式运行 该实验的结果可在表 2 中找到 表 2. 以 HSRUN 模式执行的 FFT 的结果 200 FFT 代码模式时钟 平均电流 [ma] 功率 [W] 差值电流 [ma] 总运行时间 [s] 性能改进 能量 [mwh] 节能 Flash SRAM HSRUN 120 MHz 34.1 0.11253 4.1 0.0128 9.6 47% RUN 80 MHz 24.5 0.08085 6.04 0.0136 HSRUN 120 MHz 29.6 0.09768 3.92 0.0106 8 50% RUN 80 MHz 21.6 0.07128 5.88 0.0116 6% 9% 数据显示,HSRUN 模式平均消耗电流多 8 至 9.6 ma, 但运行时间方面提供 47% 至 50% 的性能改进, 具体取决于是从 Flash 还是 SRAM 执行 不过, 能量和节能方面具有明显优势柱状图, 显示以 HSRUN 模式运行的 MCU 完成 FFT 负载测试的效率高 6% 至 9% 10 Freescale Semiconductor, Inc.
6 参考资料 参考资料 Kinetis K22F 数据手册 (K22P121M120SF8) Kinetis K22F 参考手册 (K22P121M120SF7RM) Kinetis SDK API 参考手册 Kinetis SDK K22 用户指南 ARM CMSIS-DSP 参考资料 : http://www.keil.com/pack/doc/cmsis/dsp/html/group complex_f_f_t.html Tera Term 应用链接 :http://ttssh2.sourceforge.jp/index.html.en 7 修订历史 修订号日期重大变更 o 09/2014 初始版本 Freescale Semiconductor, Inc. 11
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