全球最低功耗蓝牙单芯片DA14580的硬件架构和低功耗

Posted 2020-07-03 吴跃前

号称全球最低功耗蓝牙单芯片DA14580在可穿戴市场、健康医疗、ibeacon定位等市场得到广泛的应用，但是因为其较为封闭的技术/资料支持导致开发人员有较高的技术门槛，网络上也极少看到有关DA14580的开发技术分享，因此一般企业和一般技术团队都不敢贸然采用该平台，但一旦精通该芯片平台的开发，即可在蓝牙方案应用开发中获得较大的技术优势。

作者在集成电路领域有较为深厚的积累，在DA14580平台也有丰富的开发经验，接下来将以一个系列文章对DA14580的硬件架构和软件体系进行分析。如需技术咨询，请发邮件[email protected]联系。

本文分析DA14580的硬件架构和睡眠、唤醒技术。睡眠和唤醒即是低功耗的核心技术。这里从硬件的角度去分析睡眠和唤醒的原理。而睡眠和唤醒的软件框架和实践后续再展开。

一、DA14580硬件架构

DA14580硬件体系架构如下图：

可见，DA14580包括三个部分：

1）使用ARM公司的cortex M0作为CPUprocessor处理器。

2）使用RivieraWaves公司的IP核作为BLEcore和基带、射频部分。

3）集成时钟管理CMU、电源管理PMU、memory控制存储和其他外围模块控制器，如GPIO、UART、I2C、SPI和timer等等。

一般地，DA14580用于蓝牙BLE应用时，会使用两个外部晶振，其中16M晶振用于CPU执行相关的模块（如M0和memory），也会分频给部分peripheral。而32K晶振则用于BLE精确基准时钟和睡眠时的低功耗部分电路。

二、DA14580低功耗（睡眠和唤醒）

蓝牙单芯片的低功耗主要指的是整个硬件系统的睡眠和唤醒。而低功耗主要针对电源和时钟管理。这是由集成电路的特性所决定的。

1.   睡眠

对于睡眠，从以上架构来看，其包括以下部分：

1）  CPU睡眠，即cortex M0。根据cortex M0的体系结构，其包括两种睡眠模式：normal sleep和deep sleep，其会映射到M0的寄存器和不同的硬件电路。需要注意的是，CPU在两种模式下并没有多大区别，但是各个SOC厂商在集成cortex M0时会对这两种模式对peripheral部分进行不同的控制。如DA14580会在M0的deepsleep上再细分两种模式，即extended sleep和deepsleep。前者RAM数据是可以保持的，而后者则不保持。

                                                         

      2）BLE core 协议栈、基带和RF射频部分睡眠。对于M0的低功耗来说，有很多的指导文档，但是RivieraWaves的BLE部分的资料极少，方案商都可能没有，只有研发DA14580的dialog公司才有，开发人员只有从DA14580的SDK中理解源码，并通过不断的调试验证来获取低功耗控制的经验。这也是很多公司选择TI而不选择DA作为蓝牙应用的原因。但是DA14580的功耗确实是业界最强，如果能掌握将在物联网产业极具技术优势。

      3）peripheral部分睡眠，此部分包括其他集成模块，如memory和UART、GPIO、TIMER、SPI、中断控制等等。DIALOG公司在DA14580的SPEC规格书上也没有公开系统设计的框架图，只有部分寄存器的描述，所以要想精通DA14580的peripheral低功耗控制的方法和调试，也是要花费很多的时间。而且，睡眠和唤醒的调试是相对困难的，需要掌握方法。

      4）对于以上的各个部分，我们都是要考虑时钟CLOCK和电源，对于高级CPU可能有动态调频调压，但对于蓝牙单芯片，基本是disable电源和clock。

对于cortex M0来说，WFI指令对应的电路使用一种称为State Retention Power Gating的技术来控制电源，而且结合cotext M0的wakeup interrupt controller模块可以唤醒CPU。对于时钟，则是disable 16M高频晶振。

     

      对于BLE，需要主动disable其时钟[16M或者8M]和电源。BLE的时钟源是32KHz，这里关闭是指BLE的时钟部分，而不是完全disable 32K外部晶振。因为其还需要给唤醒部分提供时钟。

      对于peripheral部分，则是关闭电源和时钟，由于其主要使用16M晶振的分频，所以当16M晶振停止工作时，其自然也没有时钟了。

2.   唤醒

对于DA14580的唤醒，其主要有两个唤醒源。一个是同步唤醒源，来源于BLE的内部定时器（默认10秒）和BLE事件；另一个是异步唤醒源，即唤醒中断，可以配置为任意引脚唤醒，其即使用cortex M0指定的WIC技术。

WIC(wakeup interruptcontroller)是独立于CPU和中断控制工作的，但WIC检测到电平变化（也可以计数到指定数值时）即会提醒PMU给CPU供电，并启动内部RC震荡电路提供时钟，并维持中断信号给CPU中断部分，这样CPU可以从睡眠中唤醒。

      那么，对于DA14580的唤醒，需要注意什么呢？

1）BLE的唤醒定时器设置

2）DA14580的外部唤醒设置

DA14580支持wakuptimer来唤醒，其能够监测任意引脚的电平变化计数，可以是上升沿也可以是下降沿。其通过WIC接入CPU。

三、低功耗代码框架

      以上知识只是说明如何做好睡眠和唤醒的设置工作，当CPU执行WFI指令时，即进入睡眠状态。那么，睡眠和唤醒的设置应该在什么时候执行？唤醒之后对唤醒中断产生的消息/事件、BLE timer事件如何处理？还有CPU唤醒中断后返回用户态时要先做什么事情？这些都应该是低功耗代码框架要考虑的因素。

      DA14580软件体系决定的消息/事件是基于BLE TIMER基准时钟的，例如内核的定时器ke-timer是BLE-CORE的组成部分，并不是peripheral中的定时器。而schedule函数将处理所有pending的消息事件。这里，假定CPU是由BLE TIMER唤醒的，这时唤醒之后BLE CORE是正常工作的，因此schedule是可以正常执行的。以上为同步唤醒过程。

      异步唤醒即是由wakeup timer中断唤醒，唤醒后BLE timer可能还是disable状态。

我们暂且不去区分DA14580的SDK对于异步唤醒中断产生的事件和BLE timer同步唤醒产生的事件。并基于同步唤醒给出低功耗睡眠代码框架：

Voidmain_loop(void)

{

      While(1)

{

      Schedule();//处理完所有的消息事件会返回

      Disable BLE;//关闭BLECORE

      Disable Radio;//关闭射频

      Disable peripheral power domain;//关闭外围控制部分

      Set CPU DEEP SLEEP.//CPU 睡眠设置

      WFI();  //等待中断

      Set CPU active.//唤醒之后CPU设置active状态；在BLE TIMER唤醒中断服务中应该要enable BLE CORE, RADIO, peripheral等部分。

}

}

      如果要同时支持异步中断及其产生的异步消息/事件，同时处理extended sleep和deep那sleep两种模式的影响，那么低功耗代码框架会变得复杂。作者日后再从软件实践的角度详细分析DA14580如何支持低功耗特性。

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