Embedded-Software und Energieverbrauch

Software energie-effizient entwickeln
Wenn diese Anforderung an den Software-Entwickler herangetragen wird, muss zunächst einmal der herkömmliche Entwicklungsprozess betrachtet werden. Und die Frage, wo energierelevanten Elemente zu finden sind, die bereits bei der Softwareentwicklung beeinflussbar sind, bekommt dabei einen höheren Stellenwert. Zunächst wird der Entwickler nach einem Mikrocontroller suchen, der den Anforderungen an seine Applikation in bezug auf Performance, Speichervolumen sowie zu bedienender Peripherien genügt bzw. als am besten geeignet erscheint. Es wird Ihm auch relativ leicht fallen, diese Auswahl bezüglich des Energieverbrauchs des Controllers zu lösen, da zwischenzeitlich alle namhaften Chiphersteller dieser Anforderung bereits beim Design des Microcontrollers Rechnung getragen haben: diverse Sleep- Modi bis hin zum Power-Down des Controllers stehen zur Verfügung.

Ist dann die erste Hardware verfügbar, kommt die Stunde der Wahrheit: werden die Parameter in Hinsicht auf den Leistungsverbrauches des Mikrocontrollers auch eingehalten? Und noch spannender ist die Frage, wie sieht die Energiebilanz der gesamten Applikation aus, da z. B. PLL-Frequenz, An- und Abschaltzeiten der Peripherie sowie das Interruptmanagement in den Engegieverbrauch eingehen?!

Neue Möglichkeiten der Energieeffienz-Messung und -Optimierung
Zu diesem Thema finden sich aktuell – wie schon erwähnt – zwei Lösungsansätze: zum einen über das sogenannte “Power Debugging” als Bestandteil der Entwicklungsumgebung oder der PowerScale von Hitex, eine Stand-alone Lösung, die universell eingesetzt werden kann.

Power Debugging
Das Power Debugging ist konkret an eine bestimmte Entwicklungsumgebung gebunden und hat einen anderen Ansatz gewählt. Wie der Name bereits zum Ausdruck bringt, wird der verwendete Debugger als Hardware eingesetzt. Dies impliziert allerdings, dass die Debugger-Hardware konfigurationbedingt, bereits einen Einfluss auf die Strommessung hat. Ausserdem wird in Bezug auf die realisierbare Taktrate nur eine maximale Sample-Rate von 50 kHz erreicht. (PowerScale erreicht mit einer angeschlossen Probe ist die max. Sample-Rate 100 K Sample/sec). Power Debugging ist ausschließlich mit Cortex-Controllern möglich, da deren Serial Wire Viewer genutzt werden kann um Daten (z.B aktueller PC, Interrupts) zu senden. Hierdurch wird eine Korrelation zur Anwendersoftware hergestellt. Diese Korrelation ist aber beim Daten-Sampling mit dem PC sehr ungenau, so dass schnelle Softwareaktivitäten nicht erkannt werden können. Auch die Zuordnung von Energieverbrauch zu bestimmten Funktionen – beim PC-Sampling heißt das “Profiling” – ist nicht unbedingt dazu geeignet herauszufinden, welche Softwareaktivitäten (Veränderung der PLL, Zugriff auf externen Bus, Aktivierung oder Deaktivierung des ADC, etc.) zu Veränderungen des Energiekonsums führen.

Das PowerScale Konzept
Grundgerät plus Probes zum Anschluss an die Zielhardware, großer Messbereich von 200 nA bis 500 mA, einfachste Adaption, eine GUI zur grafischen Darstellung der Messergebnisse und eine offene API. So sieht die architekturunabhängige Messung und Optimierung der Energiebilanz von Embedded Applikationen mit PowerScale aus! Ein Konzept übrigens, das als erstes seiner Art auf den Markt kam und gleich den Embedded Award 2010 in der Kategorie “Tools” gewinnen konnte. Aber ein Hardware-Tool ausgerechnet für den Software Entwickler, der bekanntermaßen zunächst einmal eine gewisse Zurückhaltung zeigt, wenn es um Tools geht, die auch ein Stück Hardware beinhalten? Doch zwischenzeitlich sind diese Ressentiments überwunden: Entwickler die PowerScale einsetzen berichten nur Positives. Und so freuen wir uns über die beste Werbung, die man sich als Hersteller vorstellen kann, nämlich die Aussagen zufriedener Kunden: “Einfaches Handling bei der Hardware Adaptierung”, “schnelle und effiziente Messungen und Darstellung über eine übersichtliche GUI”, “… die Möglichkeit von Langzeitmessungen haben die Optimierung unserer Applikation bzgl. des Engergieprofils in kürzester Zeit ermöglicht”. PowerScale ist, wir erwähnten das bereits, architekturunabhänig einsetzbar und bietet mit einer offenen API die Möglichkeit der Integration in unterschiedlichste  Entwicklungsumgebungen – und ist somit nicht von der verwendeten Compilerversion abhängig.

Mit PowerScale wurde eine unabhängige Lösung implementiert, die auch für alle anderen Mikrocontroller bis hin zu FPGAs oder Peripherals genutzt werden kann. Zur realen Strommessung werden alle Verfälschungen wie Debugger oder Serial Wire Viewer abgeschaltet. Nur zur Optimierung der Software werden diese Dinge zugelassen und hier werden Software-Events genutzt, die auch bei anderen Mikrocontrollern zur Verfügung stehen (IO, UART, SWV). Hitex ist dabei mit verschiedenen Chipherstellern in ständigem Kontakt, um die Universalität des Systems zu erhalten und weiter zu entwickeln.

Ein weiterer Vorteil ist die niedrigste zu messende Stromstärke. Das PowerScale System kann Werte ab 200 nA (ohne Rauschen) messen. Und durch die ACM-Probe (Advanced Current Measurement) kann ein Messbereich von 200 nA bis 500 mA mit nur einer Probe abgedeckt werden.

PowerScale in der Keil µVision Entwicklungsumgebung
Keil hat das Interesse an Engergiemessung- und Optimierung insbesondere bei Cortex-M basierenden Embedded Applikationen erkannt und gemeinsam mit Hitex eine Anbindung von PowerScale mit ULINKpro in µVision realisiert. Dies eröffnet allen Keil MDK-ARM Usern die komfortable Möglichkeit ihren Code sehr zügig im Hinblick auf die Energieeffizienz zu optimieren.

Welche System ist für die Optimierung des Energieverbrauchs am besten geeignet?
Die Antwort sollte sich der Entwickler nach Studium der aufgezeigten Möglichkeiten eigentlich selbst geben können: Unabhänig von der eingesetzten Architektur und damit universell verwendbar, könnte z. B. als Entscheidungskriterium für PowerScale sprechen. Hierfür ist allerdings eine Investition erforderlich. Bei Verwendung der Keil MDK-ARM, die bei Cortex-M einen relativ grossen Marktanteil repräsentiert, bietet die PowerScale-Anbindung ein geschlossenes und getestetes System an. Kommt bei Kunden eine Standard Entwicklungsumgebung zur Anwendung, die Power-Debugging als Feature beinhaltet und ausschliesslich Cortex-M basierende MCU’s evaluiert werden sollen, dann kann die Entscheidung auch für das “Power-Debugging” fallen.

Produktübersicht:

• Kompakter I²C Host Adapter im USB Stick Format
• 7-bit Slave Adressierung, 100 kHz und 400 kHz Taktfrequenz
• Master und Slave, Sende- Empfangs- und Multi-Master Unterstützung
• Versorgung über I²C Bus (Schaltbare interne Pull Up Widerstände) und 5 V für externe I²C Systeme
• Kompatibel mit 3,3 V bis 5 V über externe Pull Up Widerstände
• iBurner I²C Bus EEPROM Programmier Software
• Utility Pack für Windows: Message Manager und Message Center Software für Datenerfasung,
Konfiguration und Analyse
• Free.NET Class Libary, ASCI-Text Application Programm Interface und Beispiel Projekte
• Visual Basic, C, C++ and MFC (Microsoft Foundation Class) Beispiel Projekte
• LabVIEW Virtuell Instrument (VI) Library und Beispiel Projekte
• Intergrierter Überspannungsschutz (ESD) und zweistufiger Sicherungsschutz

Mit dem I2C StickTM wird eine hochwertige, flexible und kostengünstige I²C Busanalyse ermöglicht.
Neben der 7-bit Slave Adressierung wird die Multi-Master Funktionalität unterstützt und Arbitration Loss detektiert.
Die mitgelieferten Beispielprojekte sind zielgerichtet und eröffnen schnelle und effiziente Wege bei der Entwicklung von I²C Applikationen.
Der i2cStick wird in einer Ausführung mit Kabelclips zur direkten Kontaktierung des I²C Buses (MIIC-207-MC) angeboten.
Rückwärtskompatibilität zu iPort/USB und iPort/AFM sowie iPort/AI ist gegeben.

I2C Stick online kaufen!

I2C bei Hitex im Web!

Informationen zur Veranstaltung finden Sie unter www.ecodesign-congres.de

Wenn Sie dieses Thema interessiert und Sie wissen möchten, wie Ihre Software bereits in der Entwicklungsphase energieoptimiert werden kann, dann sollten Sie PowerScale von Hitex kennen lernen: Mehr Infos unter www.powerscale.de

Exemplarisch sind zu nennen z.B. Networking Stacks, die aktuell mit Ethernet als Networking Transport Layer als Kommunikations-Schnittstelle in Neuentwicklungen gefordert sind. Weiterhin ist USB Device und Host als populäres Interface und zur Datenspeicherung z. B. auf USB-Stick oder SD/MMC Card ein aktuelles Thema.
Unterstützend hierzu werden File Systeme  (FAT 8/16/32) angeboten, die komfortabel SRAM, Parallel Flashes, Serial Flashes und wie gesagt SD/MMC Cards als Datenspeicher bedienen.
Auch der Einsatz eines Multitasking Real Time Operating Systems kann im Verbund mit der ‚Middleware’ im Software Layer zielführend und kostensenkend eingesetzt werden.
Moderne Microcontroller wie z. B. ARM/Cortex-basierende Controller bieten die Performance und auch die Möglichkeit immer komplexer werdende Embedded Entwicklungen markt/termingerecht zu realisieren – und das mit überschaubaren Investitionen.

Diese Möglichkeiten sollten Sie nutzen!

Bei Hitex finden Sie ein breites Portfolio an Middleware-Komponenten inklusive qualifizierter Beratung für Ihre anstehenden Projekte – so zum Beispiel:

USB Software
- USB Device Stack (für alle populären MCU’s)
- USB Device Class Drivers (MS, MTP, CDC-RNDIS, CDC-ECM , Audio und weitere)
- USB-OTG
- Bootloaders

- USB HOST Stack  (EHCI,OHCI und weitere)
- USB HOST Class Driver (MS, PL, Audio, CDC-RNDIS, CDC-ECM, MTP und weitere)
Weitere Details zum USB Device und USB Host finden Sie hier.

File Systeme
- FAT Standard High Performance FAT File System (FAT 8/16/32 Standard)
- safeFAT Failsafe File System
- safeFlash Safe base file system (NOR, NAND)
- safeFTL Flash Translation Layers (NAND)
Weitere Details finden Sie hier.

Networking Software
TCP/IP Stacks
- CMX-MicroNet (TCP/IP stack mit UDP,TCP, IP, ICMP, Multicast; PPP oder Ethernet; incl.
ARP, BOOTP und MAC Treibern)
- CMX-TCP/IP ( High performance TCP/IP Stack für embedded System emit UDP, TCP, IP,
ICMP, Multicast, DNS und Ethernet incl. ARP und MAC drivers; SSL/TLS feature als Option)
- CMX-INet Plus (TCP/IP Stack mit IP6 support und UDP, TCP, IP, ICMP, IGMP V2/Multicast, DHCP Client, DNS Client und Ethernet; incl. ARP und MAC Treibern)
Weitere Details finden Sie hier.

Real Time Operating Systems
- CMX-RTX Real- Time Multi-Tasking Operating System (RTOS) für Microcontroller und
DSP’s (alle Hersteller)
- CMX-AWARE Kernel Awarness für viele Toolchains- und Emulatoren/Debugger
sowie Simulator/Monitor (z.B.Keil)
- Integration von Grafik Library’s aller namhaften Grafik Controller Hersteller
Weitere Details finden Sie hier.

Alle genannten Systeme werden mit vollem Source Code geliefert und der Support erfolgt durch Hitex!

Übrigens, wenn Sie  mit Keil Produkten wie  Compiler (MDK-ARM), RTOS und Middleware (RL-ARM) Ihr Projekt realisieren wollen, dann erhalten Sie bei Hitex das komplette Keil Programm. Wir bieten attraktive Pakete an.

Bei Rückfragen kontaktieren Sie bitte unseren technischen Vertrieb::

Peter Donde, Tel:.0721 9628 143 oder email peter.donde@hitex.de

Beide Themen beschäftigen sich inhaltlich mit der energieoptimierten Softwareentwicklung anhand von konkreten Fallbeispielen. Die Ermittlung der Messdaten wurde dabei mit dem von Hitex entwickelten System ‘PowerScale durchgeführt. PowerScale mit der neuartigen ACM-Technologie ermöglicht die Messung von Strömen von 200nA bis zu 0.5 A, wobei ein Voltage drop von maximal 100mV über den gesamten Messbereich sicher gestellt wird.

Informieren Sie sich über diese innovative Technologie (PDF)

Tech. Informationen zu PowerScale

SSL/TLS Feature Übersicht

X.509 Certificate Processing
Base 64 encode/decode
Integrates with MCU security API libraries and cores
RSA asymmetric keying
Signing and verification
File hashing and integrity checks for secure firmware boot loading and field upgrades
MCU/FPGA authentication and encryption using Diffie-Hellman key exchange and symmetric cipher
Public Key Infrastructure, device and server authentication
Portable ANSI C code
Hash and Crypto functions including: AES, 3DES, RC4, RSA, SHA1/2, MD2, MD5 and Trivium

SSL/TLS ist für diverse Toolchains verfügbar. Die Auslieferung erfolgt teils in Source Code oder als Library.

SSL/TLS Add On bei CMX-Micronet bzw. CMX-TCP/IP Stack

Viele Chiphersteller haben bereits ‘Power-saving’ Massnahmen ‘on-chip’ implementiert. Dies hat bereits dazu geführt, dass besonders bei batteriebetriebenen Geräten Optimierungen bzgl. Energieverbrauch und damit zur Betriebsdauererweiterung geführt haben.
Aber auch ein sehr sparsamer Microcontroller verbraucht Energie und sollte nur dann aktiviert werden, wenn er tatsächlich benötigt wird.
Um die vom Microcontroller bereits angebotenen Möglichkeiten, wie aufwecken aus dem Schlafzustand bzw. auch Aufwachen aus RESET tatsächlich optimal zu nutzen bereits während der Softwareentwicklung, genau da setzt das Produkt ‘PowerScale‘ an, dass von Hitex entwickelt und als Seriengerät angeboten wird.

PowerScale besteht aus einem inteligentem Basisgerät, an das bis zu vier Probes angeschlossen werden können. Spannungs- und Strommessung erfolgt über die ACM Probe (Active Current Measurement)  parallel und das in einem Bereich von 200nA bis 500mA, wobei über den gesamten Messbereich der Spannungabfall immer weniger als 100mV ist. Dies wird durch eine intelligente  autom. Umschaltung der Shunts gewährleistet.
Die Korrelation zwischen Spannung, Strom- und Leistungsmessung wird über
In- und Out Pins gesteuert. Die direkte Verbindung zum Microcontroller erlaubt die Zuordnung von bis zu vier verschiedenen  Softwareereignissen. (z.B. Speicherlesen, Frequenzumschaltung, etc.). Über eine serielle Schnittstelle können ‘Events’ generiert werden und durch Einbindung eines Makros numeriert und im Trace angezeigt werden.
Durch  Zuordnung verschiedener Ereignisse und bei unterschiedlichen Controllern kann PowerScale kontinuierlich zur Optimierung bereits im Softwareentwicklungsprozess gezielt beitragen.

PowerScale Details

>> Weitere Informationen über die Hitex Dienstleistungsangebote