Mikrocontroller stromsparend programmieren - Versionsgeschichte

Bergeruw: /* Was wäre wenn? */

2014-07-01T07:22:53Z

‎Was wäre wenn?

Bergeruw: /* Beispielrechnung: Batterielebensdauer */

2014-07-01T07:01:39Z

‎Beispielrechnung: Batterielebensdauer

Bergeruw: /* Zähle in bedingten Schleifen rückwärts statt vorwärts */

2014-07-01T06:59:32Z

‎Zähle in bedingten Schleifen rückwärts statt vorwärts

Bergeruw: /* Verwende Interrupts statt „Flag-Polling“ */

2014-07-01T06:52:37Z

‎Verwende Interrupts statt „Flag-Polling“

Bergeruw: /* "Ultra Low Power"-Hardware */

2014-07-01T06:48:48Z

‎"Ultra Low Power"-Hardware

Bergeruw: /* Motivation */

2014-07-01T06:47:16Z

‎Motivation

Bergeruw: /* Zähle in bedingten Schleifen rückwärts statt vorwärts */

2014-06-30T15:55:51Z

‎Zähle in bedingten Schleifen rückwärts statt vorwärts

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht */

2014-06-30T15:54:53Z

‎Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht */

2014-06-30T15:54:28Z

‎Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht */

2014-06-30T15:54:14Z

‎Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht

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 ==Was wäre wenn?==
-Unter den gleichen Rahmenbedingungen würde
+Unter den gleichen Rahmenbedingungen würde eine CR2032-Batterie ca. 1,23 Monate und eine CR123A über 8 Monate reichen. Könnte man die Stromaufnahme im Aktiv-Modus um 50% senken, würde sich die Batterielebensdauer auf über ein Jahr verlängern. Halbiert man die Aktiv-Zeit der Schaltung (bzw. verdoppelt man die Zeit im Schlaf-Modus), verlängert sich die Lebensdauer der Batterie ebenfalls auf über ein Jahr.
-** eine CR2032 ca. 1,23 Monate und
-** eine CR123A ca. 8,37 Monate
 reichen.
-−
 Könnte man die Stromaufnahme im Aktiv-Modus um 50% senken, würde sich die Batterielebensdauer auf über ein Jahr verlängern. Halbiert man die Aktiv-Zeit der Schaltung (bzw. verdoppelt man die Zeit im Schlaf-Modus), verlängert sich die Lebensdauer der Batterie ebenfalls auf über ein Jahr.
 ==Die „10-Jahre-Batterie“==

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 ==Beispielrechnung: Batterielebensdauer==
-Der maßgebliche Kennwert zur Angabe des „Energiegehaltes“ einer Batterie ist ihre Kapazität28. Diese wird in Amperestunden angeben. Hier einige ausgewählte Kennzahlen häufig eingesetzter Primärbatterie-Typen:
+Der maßgebliche Kennwert zur Angabe des „Energiegehaltes“ einer Batterie ist ihre Kapazität. Diese wird in Amperestunden angeben. Hier einige ausgewählte Kennzahlen häufig eingesetzter Primärbatterie-Typen:
 {|cellspacing="0" border="1"
+!
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 * Resultierende Batterielebensdauer:
 ** 41.6h/0,0083=5012h → 209d → '''6,97 Monate'''
 ==Was wäre wenn?==

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 ==Zähle in bedingten Schleifen rückwärts statt vorwärts==
-Diese Empfehlung mag auf den ersten Blick etwas ungewöhnlich erscheinen. Aber für jedes Inkrementieren  einer Zählervariable in einer forSchleife muss der Compiler in der Mehrzahl der Fälle einen zusätzlichen Maschinenbefehl einfügen. Es muss bei jedem Durchlauf die, vom Softwareentwickler festgelegte, obere Grenze der Schleife abgefragt werden, die eventuell eine Weiterverzweigung bedingen könnte. Viele Maschinencode-Befehlssätze kennen aber einen Befehl „Verzweige, wenn Ergebnis gleich 0“. Besonders bei Schleifen mit vielen Durchläufen macht sich diese Reduzierung der Programmgröße hinsichtlich des Stromverbrauchs positiv bemerkbar.
+Diese Empfehlung mag auf den ersten Blick etwas ungewöhnlich erscheinen. Aber für jedes Inkrementieren  einer Zählervariable in einer for-Schleife muss der Compiler in der Mehrzahl der Fälle einen zusätzlichen Maschinenbefehl einfügen. Es muss bei jedem Durchlauf die, vom Softwareentwickler festgelegte, obere Grenze der Schleife abgefragt werden, die eventuell eine Weiterverzweigung bedingen könnte. Viele Maschinencode-Befehlssätze kennen aber einen Befehl „Verzweige, wenn Ergebnis gleich 0“. Besonders bei Schleifen mit vielen Durchläufen macht sich diese Reduzierung der Programmgröße hinsichtlich des Stromverbrauchs positiv bemerkbar.
 {|cellspacing="0" border="1"
 ! style="background-color:red;" | ungünstig

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 ==Verwende Interrupts statt „Flag-Polling“==
-Viele der internen Peripherie-Baugruppen einer MCU spiegeln ihren momentan Zustand mit Hilfe von StatusBits (Flags) wider. Stößt man beispielsweise auf einem ATmega815 eine A/DWandlung an, wird das Ende der Messung mit einem Low-Wert des ADSCBit des ADCSRA-Register gemeldet. Das Löschen dieses Flags könnte man mit einer while-Schleife im Programm abfragen. Dabei ist aber die CPU ständig aktiv und verbraucht viel Strom.
+Viele der internen Peripherie-Baugruppen einer MCU spiegeln ihren momentan Zustand mit Hilfe von StatusBits (Flags) wider. Stößt man beispielsweise auf einem ATmega8 eine A/D-Wandlung an, wird das Ende der Messung mit einem Low-Wert des ADSC-Bit des ADCSRA-Register gemeldet. Das Löschen dieses Flags könnte man mit einer while-Schleife im Programm abfragen. Dabei ist aber die CPU ständig aktiv und verbraucht viel Strom.
 {|cellspacing="0" border="1"
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 |}
-Besser ist es, vor Anstoß der A/D-Messung den ADC-Interrupt zu aktivieren. Jetzt kann man die MCU in den „ADC Noise Reduction“Schlafmodus 16 versetzen (Stromverbrauch  ca. 0,3mA) oder  währenddessen  andere Aufgaben erledigen lassen, um die Verarbeitungszeit insgesamt zu verkürzen. Ist die A/D-Wandlung beendet, wird automatisch die ADC-Interrupt-Routine gestartet. Es können nun die ermittelten ADC-Werte verarbeitet werden. Ähnliches ist auch mit vielen anderen Komponenten diverser MCU möglich. Für Einzelheiten wird auf die jeweiligen Datenblätter verwiesen.
+Besser ist es, vor Anstoß der A/D-Messung den ADC-Interrupt zu aktivieren. Jetzt kann man die MCU in den „ADC Noise Reduction“Schlafmodus versetzen (Stromverbrauch  ca. 0,3mA) oder  währenddessen  andere Aufgaben erledigen lassen, um die Verarbeitungszeit insgesamt zu verkürzen. Ist die A/D-Wandlung beendet, wird automatisch die ADC-Interrupt-Routine gestartet. Es können nun die ermittelten ADC-Werte verarbeitet werden. Ähnliches ist auch mit vielen anderen Komponenten diverser MCU möglich. Für Einzelheiten wird auf die jeweiligen Datenblätter verwiesen.
 ==Verwende Timer statt Pausenschleifen==

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 überlassen, der diese Zusammenhänge kennen sollte. Einige dieser Eigenschaften sind aber auch für den Softwareentwickler interessant.
-Viele moderne MCUs bieten die Möglichkeit die interne CPU und weitere interne Peripherie-Komponenten (z.B. ADC, DMA, WDT) unabhängig voneinander, teilweise oder vollständig abzuschalten. Dazu sind softwareseitig meist nur entsprechende Steuerbits in den dafür vorgesehenen MCURegistern (siehe Datenblätter) zu manipulieren. Durch vorher konfigurierte interne und externe Ereignisse kann dieser Ruhezustand jederzeit wieder verlassen werden. Ähnliches gilt auch für viele externe Komponenten und Baugruppen diverser Hersteller.
+Viele moderne MCUs bieten die Möglichkeit die interne CPU und weitere interne Peripherie-Komponenten (z.B. ADC, DMA, WDT) unabhängig voneinander, teilweise oder vollständig abzuschalten. Dazu sind softwareseitig meist nur entsprechende Steuerbits in den dafür vorgesehenen MCU-Registern (siehe Datenblätter) zu manipulieren. Durch vorher konfigurierte interne und externe Ereignisse kann dieser Ruhezustand jederzeit wieder verlassen werden. Ähnliches gilt auch für viele externe Komponenten und Baugruppen diverser Hersteller.
 Dabei wird der Stromverbrauch teilweise drastisch gesenkt. Im Fall einer ATmega8L-MCU reduziert sich der Bedarf beispielsweise von  3mA im Aktiv-Modus auf unter 1μA bei der Abschaltung der CPU und aller weiteren internen Komponenten. Weitere Stromeinsparungen können durch die Absenkung der CPU-Taktfrequenz (z.B. ATmega8L mit 3V Versorgungsspannung: 8MHz, 6mA → 4MHz, 3mA) und die Minimierung der Zugriffe auf die verschiedenen Speicherbereiche (RAM, FLASH, EEPROM etc.) außerhalb der CPU erzielt werden.

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 unmittelbarer Reichweite zur Verfügung.
-Mit modernen Batterien und Akkumulatoren (Akkus), vielfach in Verbindung mit sogenannten [http://de.wikipedia.org/wiki/Energy_Harvesting "Energy Harvesting"-Energiequellen] (z.B. Photovoltaik), stehen Technologien zur Verfügung, die die Konzeption und den Aufbau von platz und gewichtssparenden Geräten  ermöglichen. Dabei reicht es nicht aus, "Ultra Low Power"-Hardware nur einfach einzusetzen. Vielmehr muss auch die Firmware die zur Verfügung gestellten Möglichkeiten nutzen.
+Mit modernen Batterien und Akkumulatoren (Akkus), vielfach in Verbindung mit sogenannten [http://de.wikipedia.org/wiki/Energy_Harvesting "Energy Harvesting"-Energiequellen] (z.B. Photovoltaik), stehen Technologien zur Verfügung, die die Konzeption und den Aufbau von platz- und gewichtssparenden Geräten  ermöglichen. Dabei reicht es nicht aus, "Ultra Low Power"-Hardware nur einfach einzusetzen. Vielmehr muss auch die Firmware die zur Verfügung gestellten Möglichkeiten nutzen.
 Der Autor betreibt eine [[RFM12-Funkbrücke|Außenstation]] mit diversen Sensoren zur [http://bergeruw.dyndns.org/~bergeruw/temp/ Wetterbeobachtung], welche drahtlos an eine [[Wetterdaten mit Linux aufzeichnen und verarbeiten|Hauptstation]] angebunden ist. Die Energieversorgung sollte dabei unabhängig von stationären Stromquellen gelöst werden. Um dies leisten zu können, setzte er sich mit den Begriffen "Ultra Low Power" und „energieeffiziente Programmierung“ intensiv auseinander.

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 | valign="top" |
 <pre>
 uint16_t i;

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 Damit unterscheidet sich die Steuerung der Software von den üblichen Konzepten. Statt ständig aktiv Zustände abzufragen, wartet man auf deren Auftreten und aktiviert erst dann die notwendigen Komponenten.
-Hinweis: Als Schlafmodus ist jeweils derjenige zu wählen, der ein Wecken durch den oder die zu erwartenden Interrupt-Ereignisse zulässt14. Welche das sind, ist in den entsprechenden Datenblättern der jeweiligen MCU-Hersteller zu finden.
+Hinweis: Als Schlafmodus ist jeweils derjenige zu wählen, der ein Wecken durch den oder die zu erwartenden Interrupt-Ereignisse zulässt. Welche das sind, ist in den entsprechenden Datenblättern der jeweiligen MCU-Hersteller zu finden.
 ==Verwende Interrupts statt „Flag-Polling“==

Mikrocontroller stromsparend programmieren - Versionsgeschichte

Bergeruw: /* Was wäre wenn? */

Bergeruw: /* Beispielrechnung: Batterielebensdauer */

Bergeruw: /* Zähle in bedingten Schleifen rückwärts statt vorwärts */

Bergeruw: /* Verwende Interrupts statt „Flag­-Polling“ */

Bergeruw: /* "Ultra Low Power"-Hardware */

Bergeruw: /* Motivation */

Bergeruw: /* Zähle in bedingten Schleifen rückwärts statt vorwärts */

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar­-Modi der MCU, wann immer es geht */

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar­-Modi der MCU, wann immer es geht */

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar­-Modi der MCU, wann immer es geht */

Bergeruw: /* Verwende Interrupts statt „Flag-Polling“ */

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht */

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht */

Bergeruw: /* Nutze die Stromspar-Modi der MCU, wann immer es geht */