全球最低功耗蓝牙单芯片DA14580的硬件架构和低功耗

　　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定位等市场获得普遍的应用，可是由于其较为封闭的技术/资料支持致使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，所以通常企业和通常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，便可在蓝牙方案应用开发中得到较大的技术优点。

　　做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yqwucheng@163.com联系。

　　本文分析DA14580的硬件架构和睡眠、唤醒技术。睡眠和唤醒便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。

1、DA14580硬件架构

　　DA14580硬件体系架构以下图：

可见，DA14580包括三个部分：

1）使用ARM公司的cortex M0做为CPUprocessor处理器。

2）使用RivieraWaves公司的IP核做为BLEcore和基带、射频部分。

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

　　通常地，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。

2、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，其包括如下部分：

　　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的寄存器和不一样的硬件电路。须要注意的是，CPU在两种模式下并无多大区别，可是各个SOC厂商在集成cortex M0时会对这两种模式对peripheral部分进行不一样的控制。如DA14580会在M0的deepsleep上再细分两种模式，即extended sleep和deepsleep。前者RAM数据是能够保持的，然后者则不保持。

                                                         

      2）BLE core 协议栈、基带和RF射频部分睡眠。对于M0的低功耗来讲，有不少的指导文档，可是RivieraWaves的BLE部分的资料极少，方案商均可能没有，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，并经过不断的调试验证来获取低功耗控制的经验。这也是不少公司选择TI而不选择DA做为蓝牙应用的缘由。可是DA14580的功耗确实是业界最强，若是能掌握将在物联网产业极具技术优点。

      3）peripheral部分睡眠，此部分包括其余集成模块，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，因此要想精通DA14580的peripheral低功耗控制的方法和调试，也是要花费不少的时间。并且，睡眠和唤醒的调试是相对困难的，须要掌握方法。

      4）对于以上的各个部分，咱们都是要考虑时钟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来讲，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，并且结合cotext M0的wakeup interrupt controller模块能够唤醒CPU。对于时钟，则是disable 16M高频晶振。

     

      对于BLE，须要主动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，而不是彻底disable 32K外部晶振。由于其还须要给唤醒部分提供时钟。

      对于peripheral部分，则是关闭电源和时钟，因为其主要使用16M晶振的分频，因此当16M晶振中止工做时，其天然也没有时钟了。

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；另外一个是异步唤醒源，即唤醒中断，能够配置为任意引脚唤醒，其即便用cortex M0指定的WIC技术。

　　WIC(wakeup interruptcontroller)是独立于CPU和中断控制工做的，但WIC检测到电平变化（也能够计数到指定数值时）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能够从睡眠中唤醒。

      那么，对于DA14580的唤醒，须要注意什么呢？

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，其可以监测任意引脚的电平变化计数，能够是上升沿也能够是降低沿。其经过WIC接入CPU。

3、低功耗代码框架

      以上知识只是说明如何作好睡眠和唤醒的设置工做，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何时执行？唤醒以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作什么事情？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，并非peripheral中的定时器。而schedule函数将处理全部pending的消息事件。这里，假定CPU是由BLE TIMER唤醒的，这时唤醒以后BLE CORE是正常工做的，所以schedule是能够正常执行的。以上为同步唤醒过程。

      异步唤醒便是由wakeup timer中断唤醒，唤醒后BLE timer可能仍是disable状态。

咱们暂且不去区分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();//处理完全部的消息事件会返回

       　　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.//唤醒以后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。

　　}

}

      若是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。做者往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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