全球最低功耗藍牙單芯片DA14580的硬件架構和低功耗

　　號稱全球最低功耗藍牙單芯片DA14580在可穿戴市場、健康醫療、ibeacon定位等市場獲得普遍的應用，可是由於其較爲封閉的技術/資料支持致使開發人員有較高的技術門檻，網絡上也極少看到有關DA14580的開發技術分享，所以通常企業和通常技術團隊都不敢貿然採用該平臺，但一旦精通該芯片平臺的開發，便可在藍牙方案應用開發中得到較大的技術優點。

　　做者在集成電路領域有較爲深厚的積累，在DA14580平臺也有豐富的開發經驗，接下來將以一個系列文章對DA14580的硬件架構和軟件體系進行分析。如需技術諮詢，請發郵件yqwucheng@163.com聯繫。

　　本文分析DA14580的硬件架構和睡眠、喚醒技術。睡眠和喚醒便是低功耗的核心技術。這裏從硬件的角度去分析睡眠和喚醒的原理。而睡眠和喚醒的軟件框架和實踐後續再展開。

1、DA14580硬件架構

　　DA14580硬件體系架構以下圖：

可見，DA14580包括三個部分：

1）使用ARM公司的cortex M0做爲CPUprocessor處理器。

2）使用RivieraWaves公司的IP核做爲BLEcore和基帶、射頻部分。

3）集成時鐘管理CMU、電源管理PMU、memory控制存儲和其餘外圍模塊控制器，如GPIO、UART、I2C、SPI和timer等等。

　　通常地，DA14580用於藍牙BLE應用時，會使用兩個外部晶振，其中16M晶振用於CPU執行相關的模塊（如M0和memory），也會分頻給部分peripheral。而32K晶振則用於BLE精確基準時鐘和睡眠時的低功耗部分電路。

2、DA14580低功耗（睡眠和喚醒）

　　藍牙單芯片的低功耗主要指的是整個硬件系統的睡眠和喚醒。而低功耗主要針對電源和時鐘管理。這是由集成電路的特性所決定的。

1.   睡眠

　　對於睡眠，從以上架構來看，其包括如下部分：

　　1）  CPU睡眠，即cortex M0。根據cortex M0的體系結構，其包括兩種睡眠模式：normal sleep和deep sleep，其會映射到M0的寄存器和不一樣的硬件電路。須要注意的是，CPU在兩種模式下並無多大區別，可是各個SOC廠商在集成cortex M0時會對這兩種模式對peripheral部分進行不一樣的控制。如DA14580會在M0的deepsleep上再細分兩種模式，即extended sleep和deepsleep。前者RAM數據是能夠保持的，然後者則不保持。

                                                         

      2）BLE core 協議棧、基帶和RF射頻部分睡眠。對於M0的低功耗來講，有不少的指導文檔，可是RivieraWaves的BLE部分的資料極少，方案商均可能沒有，只有研發DA14580的dialog公司纔有，開發人員只有從DA14580的SDK中理解源碼，並經過不斷的調試驗證來獲取低功耗控制的經驗。這也是不少公司選擇TI而不選擇DA做爲藍牙應用的緣由。可是DA14580的功耗確實是業界最強，若是能掌握將在物聯網產業極具技術優點。

      3）peripheral部分睡眠，此部分包括其餘集成模塊，如memory和UART、GPIO、TIMER、SPI、中斷控制等等。DIALOG公司在DA14580的SPEC規格書上也沒有公開系統設計的框架圖，只有部分寄存器的描述，因此要想精通DA14580的peripheral低功耗控制的方法和調試，也是要花費不少的時間。並且，睡眠和喚醒的調試是相對困難的，須要掌握方法。

      4）對於以上的各個部分，咱們都是要考慮時鐘CLOCK和電源，對於高級CPU可能有動態調頻調壓，但對於藍牙單芯片，基本是disable電源和clock。

對於cortex M0來講，WFI指令對應的電路使用一種稱爲State Retention Power Gating的技術來控制電源，並且結合cotext M0的wakeup interrupt controller模塊能夠喚醒CPU。對於時鐘，則是disable 16M高頻晶振。

     

      對於BLE，須要主動disable其時鐘[16M或者8M]和電源。BLE的時鐘源是32KHz，這裏關閉是指BLE的時鐘部分，而不是徹底disable 32K外部晶振。由於其還須要給喚醒部分提供時鐘。

      對於peripheral部分，則是關閉電源和時鐘，因爲其主要使用16M晶振的分頻，因此當16M晶振中止工做時，其天然也沒有時鐘了。

2.   喚醒

　　對於DA14580的喚醒，其主要有兩個喚醒源。一個是同步喚醒源，來源於BLE的內部定時器（默認10秒）和BLE事件；另外一個是異步喚醒源，即喚醒中斷，能夠配置爲任意引腳喚醒，其即便用cortex M0指定的WIC技術。

　　WIC(wakeup interruptcontroller)是獨立於CPU和中斷控制工做的，但WIC檢測到電平變化（也能夠計數到指定數值時）即會提醒PMU給CPU供電，並啓動內部RC震盪電路提供時鐘，並維持中斷信號給CPU中斷部分，這樣CPU能夠從睡眠中喚醒。

      那麼，對於DA14580的喚醒，須要注意什麼呢？

1）BLE的喚醒定時器設置

2）DA14580的外部喚醒設置

DA14580支持wakuptimer來喚醒，其可以監測任意引腳的電平變化計數，能夠是上升沿也能夠是降低沿。其經過WIC接入CPU。

3、低功耗代碼框架

      以上知識只是說明如何作好睡眠和喚醒的設置工做，當CPU執行WFI指令時，即進入睡眠狀態。那麼，睡眠和喚醒的設置應該在何時執行？喚醒以後對喚醒中斷產生的消息/事件、BLE timer事件如何處理？還有CPU喚醒中斷後返回用戶態時要先作什麼事情？這些都應該是低功耗代碼框架要考慮的因素。

      DA14580軟件體系決定的消息/事件是基於BLE TIMER基準時鐘的，例如內核的定時器ke-timer是BLE-CORE的組成部分，並非peripheral中的定時器。而schedule函數將處理全部pending的消息事件。這裏，假定CPU是由BLE TIMER喚醒的，這時喚醒以後BLE CORE是正常工做的，所以schedule是能夠正常執行的。以上爲同步喚醒過程。

      異步喚醒便是由wakeup timer中斷喚醒，喚醒後BLE timer可能仍是disable狀態。

咱們暫且不去區分DA14580的SDK對於異步喚醒中斷產生的事件和BLE timer同步喚醒產生的事件。並基於同步喚醒給出低功耗睡眠代碼框架：

Voidmain_loop(void)

{

      While(1)

　　{

       　　Schedule();//處理完全部的消息事件會返回

       　　Disable BLE;//關閉BLECORE

       　　Disable Radio;//關閉射頻

       　　Disable peripheral power domain;//關閉外圍控制部分

       　　Set CPU DEEP SLEEP.//CPU 睡眠設置

       　　WFI();  //等待中斷

       　　Set CPU active.//喚醒以後CPU設置active狀態；在BLE TIMER喚醒中斷服務中應該要enable BLE CORE, RADIO, peripheral等部分。

　　}

}

      若是要同時支持異步中斷及其產生的異步消息/事件，同時處理extended sleep和deep那sleep兩種模式的影響，那麼低功耗代碼框架會變得複雜。做者往後再從軟件實踐的角度詳細分析DA14580如何支持低功耗特性。

 

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