- 低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 優(yōu)化設(shè)計(jì)低功耗外圍設(shè)備
- 簡(jiǎn)單的任務(wù)不需要MCU內(nèi)核
- 在電源預(yù)算中加密碼
在設(shè)計(jì)電池供電產(chǎn)品時(shí)，人們顯然希望電池壽命應(yīng)該盡可能長(zhǎng)些。作為一個(gè)快速發(fā)展的設(shè)備種類，從單電池發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用不僅僅停留在規(guī)格上：而是以整個(gè)產(chǎn)品的概念為中心。能源敏感的產(chǎn)品應(yīng)用大致分為能源計(jì)量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動(dòng)化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)（圖1）。這些產(chǎn)品通常會(huì)圍繞一個(gè)微控制器（MCU），必須用單一的原電池運(yùn)作很長(zhǎng)時(shí)間。在某些應(yīng)用中，要想更換電池是很難的甚至不可能的：在其它應(yīng)用中，最終用戶不愿意支付更換電池的成本。
圖1：人們期望新一代的計(jì)量產(chǎn)品能定期報(bào)告其讀數(shù)給計(jì)費(fèi)和資源管理人員，同時(shí)在二十年里其運(yùn)行無(wú)人看管。
CR2032紐扣電池廣泛用于小型MCU如遠(yuǎn)程環(huán)境傳感器中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應(yīng)商 - 例如，柯達(dá)（參考1） -評(píng)定230 mAh到2V的終點(diǎn)電壓能力為 5.6 k? (約有0.5 mA). 如果是那樣的話，電池壽命將為400小時(shí)，相比之下，能源敏感的應(yīng)用能使使用壽命達(dá)到20萬(wàn)小時(shí)。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數(shù)據(jù)表顯示10年之后其容量達(dá)90％。非常相似的是，這相當(dāng)于連續(xù)充電約0.25 ?A, 如果能夠達(dá)到10-20年的電池壽命, 應(yīng)用的一般要求就會(huì)滿足。
伴隨電池壽命的是數(shù)量有限的電荷，設(shè)計(jì)者必須在MCU運(yùn)行的所有階段減少產(chǎn)品的電流和時(shí)間，不僅要減少每微安的數(shù)量，也要減少每個(gè)動(dòng)作的每個(gè)微秒。
為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應(yīng)用的MCU中采用8位（或16位）內(nèi)核已很普遍。其理由是，8位內(nèi)核—即使在最新版本中也常常采用這樣的設(shè)計(jì) - -很小，門控相對(duì)較少，靜電或泄露電流低。但是，許多現(xiàn)在的應(yīng)用都需要比8位內(nèi)核更大的處理功率。在其它MCU應(yīng)用領(lǐng)域，用戶往往選擇從一個(gè)8位升級(jí)到一個(gè)32位環(huán)境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內(nèi)核在其掉電模式狀態(tài)時(shí)使用的電流一定是高得令人無(wú)法接受的。隨著全套低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)，今天的IC設(shè)計(jì)師們已經(jīng)可能讓一個(gè)32位ARM內(nèi)核提供不同的低功耗模式了，與其8位的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手一樣好，甚至更好，而且還能實(shí)現(xiàn)快速喚醒時(shí)間。 32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務(wù)，從而能夠在這些低功耗模式中花更多時(shí)間來(lái)進(jìn)一步降低平均功耗。
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低功耗外圍設(shè)備功能
要優(yōu)化最低耗用功率的MCU睡眠狀態(tài)功耗需要整體的設(shè)計(jì)方法。除了內(nèi)核，MCU里的其它模塊在待機(jī)設(shè)備、穩(wěn)壓器、偏置電流發(fā)生器，欠壓檢測(cè)比較儀、加電復(fù)位電路中會(huì)繼續(xù)吸引一些電流 。在幾乎所有情況下，簡(jiǎn)單的交替換位都適用; 掉電狀態(tài)越深，就越多外圍設(shè)備的功能被完全切斷，芯片準(zhǔn)備好實(shí)施處理任務(wù)的喚醒時(shí)間越長(zhǎng)。由于應(yīng)用的差別很大，MCU設(shè)計(jì)師提供一種靈活的斷電狀態(tài)下的擴(kuò)展套件形式就顯得很重要了，這樣產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員就可以很好地為他個(gè)人的項(xiàng)目進(jìn)行待機(jī)功率和響應(yīng)能力的交替換位。
圖2：節(jié)能MCU內(nèi)核通過完整的喚醒/操作/回到睡眠周期在多個(gè)不同區(qū)域節(jié)省能源。藍(lán)色區(qū)域表示一個(gè)更強(qiáng)大的32位內(nèi)核完成任務(wù)所節(jié)省的能量，所需的周期比一個(gè)8位內(nèi)核需要的少，在活躍和睡眠模式下消耗的電流也較少。
圖3 先進(jìn)能源監(jiān)控跟蹤該MCU通過其嵌入代碼的完整操作周期從電池中吸收的總充電量。
在減少電流乘微秒產(chǎn)品時(shí)，MCU設(shè)計(jì)師有很多更好的策略要部署。一個(gè)是不僅減少內(nèi)核在實(shí)際處理應(yīng)用代碼時(shí)所花的時(shí)間，而且縮短喚醒刺激之間的解決時(shí)間 - 無(wú)論是定時(shí)生成或事件驅(qū)動(dòng) - 并且CPU正在準(zhǔn)備做“真正的工作”。一條線路是最大限度地減少啟動(dòng)時(shí)間以及內(nèi)核的時(shí)鐘信號(hào)供應(yīng)。眾所周知，當(dāng)一個(gè)晶體振蕩器從關(guān)閉狀態(tài)中啟動(dòng)時(shí)，在作為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘使用之前，它需要一些時(shí)間來(lái)穩(wěn)定其輸出。相反，一個(gè)RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務(wù)的時(shí)基可能不夠準(zhǔn)確，但會(huì)在開機(jī)后的幾乎一瞬間產(chǎn)生有規(guī)則的輸出。部分解決方案是縮短同時(shí)提供信號(hào)的時(shí)間; CPU在開機(jī)的同時(shí)就開始運(yùn)行，用RC振蕩器調(diào)整時(shí)鐘，而一個(gè)小控制電路等它一穩(wěn)定下來(lái)就將時(shí)鐘源傳到一個(gè)晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度的不足都不很重要，因?yàn)槭褂盟闹芷谳^短。
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簡(jiǎn)單的任務(wù)不需要MCU內(nèi)核
盡管設(shè)計(jì)師十分注意要用一個(gè)有能力的處理內(nèi)核來(lái)提供功率，并且在盡可能短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)， 對(duì)芯片設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有用的是要問問給定任務(wù)是否需要這樣的內(nèi)核：如果喚醒它只是執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)的話，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會(huì)浪費(fèi)電池的電荷。我們?cè)儆铆h(huán)境傳感器的應(yīng)用作個(gè)例子 –它可能需要定期測(cè)量，但只需在不頻繁的時(shí)間間隔內(nèi)將測(cè)量結(jié)果報(bào)告到中央數(shù)據(jù)記錄器里。運(yùn)行通信接口的軟件堆棧一定會(huì)要求喚醒MCU內(nèi)核，但會(huì)更頻繁地打開模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換器，指揮A / D轉(zhuǎn)換，并以低功耗內(nèi)存積累結(jié)果，如果只要求外圍設(shè)備設(shè)置在互連矩陣（圖4）的控制下自主運(yùn)作的話，消耗的功率會(huì)很少。由于應(yīng)用的差別很大，選擇哪些功能模塊來(lái)供電以及它們?nèi)绾芜B接的高度靈活性對(duì)充分利用這一概念非常重要。
圖4使用一個(gè)互連矩陣或外圍設(shè)備反射系統(tǒng)可以執(zhí)行簡(jiǎn)單的任務(wù)如開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)結(jié)果，完全無(wú)需喚醒32位處理器內(nèi)核。
在電源預(yù)算中加密碼
眾所周知，在現(xiàn)代CMOS半導(dǎo)體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區(qū)成本相對(duì)較低。這產(chǎn)生了輕微的與直覺不一致的結(jié)果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控?cái)?shù)。有了先進(jìn)的鐘樹設(shè)計(jì)、時(shí)鐘門控和線路板電源開關(guān)， IC設(shè)計(jì)人員可以隨時(shí)隨地很容易地完全切斷電源。這種方法的一個(gè)突出功能就是加密。即使是看似平常的數(shù)據(jù)現(xiàn)在也通過例行的加密來(lái)保證安全，通常已知的算法為AES。這對(duì)一個(gè)32位MCU內(nèi)核而言不是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但它確實(shí)占用了大量的處理器周期，延長(zhǎng)了總的微安倍乘總微秒。大多數(shù)這些周期花在了執(zhí)行一些內(nèi)部循環(huán)中的算法上; 增加一個(gè)AES加速器硬件模塊會(huì)使MCU停止AES算法，轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ糜布⑴c其它處理器和睦相處，以更少的周期得到加密（或解密）結(jié)果。
迅速擴(kuò)大的能源敏感應(yīng)用類別 - 由少數(shù)高端類別如智能電能計(jì)量領(lǐng)導(dǎo) - 重新界定了用電池驅(qū)動(dòng)一個(gè)產(chǎn)品的意思：這些產(chǎn)品必須在一個(gè)單電池的驅(qū)動(dòng)下提供服務(wù)，并比較電池本身的貨架期，在電池制造商指定的最大時(shí)間間隔的相同范圍內(nèi)：達(dá)到，甚至超過20年。只有一個(gè)高度集成的單芯片的微控制器能為這樣的設(shè)計(jì)提供一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解決辦法。IC設(shè)計(jì)師們十分注重低功耗芯片設(shè)計(jì)的每個(gè)方面，現(xiàn)在可以提供現(xiàn)代、功能強(qiáng)大的32位處理器內(nèi)核給產(chǎn)品設(shè)計(jì)師了，而同時(shí)盡可能地降低了功率要求。
參考1：
柯達(dá)CR2032紐扣電池的數(shù)據(jù)表：http://www.kodak.com/eknec/documents/fb/0900688a8019d7fb/KCR2032.pdf
