可延長電池壽命的新一代節(jié)能微控制器設(shè)計

　　相比性能更低的MCU，一個32位的內(nèi)核將花更少的時間去主動完成一項相同的任務(wù)，同時，該內(nèi)核在運(yùn)行時消耗的功率也應(yīng)盡可能低。專注于低功耗的IC設(shè)計工程師能夠獲得許多設(shè)計細(xì)節(jié)來實現(xiàn)其目標(biāo)。這樣的例子包括針對所有芯片同步邏輯優(yōu)化時鐘門控結(jié)構(gòu)，以及組織總線系統(tǒng)和內(nèi)存(SRAM和閃存)以在任何特定處理中盡可能減少位跳變。采用全套低功耗設(shè)計方法會在閃存中產(chǎn)生一個運(yùn)行典型代碼的ARMCortex-M3內(nèi)核，而僅需用到低至180μA/MHz的能量。小心使用這些相同的技術(shù)可以確保其數(shù)字測量準(zhǔn)確，獲得低時鐘速率，而不僅僅是一個最佳性能數(shù)字。

　　一旦MCU被喚醒并執(zhí)行應(yīng)用代碼，M3內(nèi)核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時間”。利用這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能，Thumb2ISA的效率非常高。

　　在減少電流×微秒(current-times-MICROseconds)產(chǎn)品時，MCU設(shè)計工程師需要部署更多策略。其中一個是不僅減少內(nèi)核在實際處理應(yīng)用代碼時所花的時間，而且還要縮短喚醒刺激之間的創(chuàng)建(ramp-up)時間(無論是定時生成或事件驅(qū)動)，并且CPU正在準(zhǔn)備做“真正的工作”。一種途徑是最大限度地減少與內(nèi)核時鐘信號供應(yīng)相關(guān)的啟動時間。眾所周知，當(dāng)一個晶體振蕩器從關(guān)閉狀態(tài)中啟動時，在作為一個系統(tǒng)時鐘使用之前，它需要一些時間來穩(wěn)定其輸出。相反，一個RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務(wù)的時基可能不夠準(zhǔn)確，但它會在開機(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提供信號的時間。CPU在開機(jī)上電的同時就開始運(yùn)行，由RC振蕩器進(jìn)行計時，而小型控制電路一旦穩(wěn)定下來就將時鐘源傳到一個晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度不夠都不重要，因為使用它的周期相對較短。

　　簡單任務(wù)無需MCU內(nèi)核

　　盡管設(shè)計工程師非常小心地為一個高性能處理內(nèi)核提供電源，并且在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)了這個目標(biāo)，但芯片設(shè)計師或系統(tǒng)設(shè)計師有必要問問給定任務(wù)是否需要這樣的內(nèi)核，即如果喚醒它只是執(zhí)行簡單任務(wù)的話，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會浪費(fèi)電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應(yīng)用作個例子，它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時間間隔內(nèi)將測量結(jié)果報告到中央數(shù)據(jù)記錄器中。運(yùn)行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內(nèi)核，但這會更頻繁地打開模數(shù)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)控制下自主運(yùn)行的話，消耗的功率會更少。由于應(yīng)用的差別很大，能夠靈活地選擇哪些功能模塊來供電以及它們?nèi)绾瓮ㄐ艑Τ浞掷眠@一概念非常重要。

　　圖4：使用一個互連矩陣或“外圍設(shè)備反射系統(tǒng)”可以執(zhí)行簡單的任務(wù)。

　　在電源預(yù)算中加密

　　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)成本相對較低。這產(chǎn)生了與直覺略微不一致的結(jié)果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控數(shù)。利用先進(jìn)的時鐘樹設(shè)計、時鐘門控和片上電源開關(guān)等技術(shù)，IC設(shè)計工程師可以隨時輕松地完全關(guān)斷不需要的功能。這種方法的一個突出功能就是加密。即使是看似平常的數(shù)據(jù)現(xiàn)在也通過例行的加密來保證安全，通常采用被稱為AES的算法。這對一個32位MCU內(nèi)核而言不是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但它確實占用了大量的處理器周期，延長了總的微安×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。這些周期中的大多數(shù)花在了執(zhí)行算法中的一些內(nèi)部循環(huán)計算上，增加一個AES加速器硬件模塊可使MCU停止AES算法，轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ糜布?，MCU繼續(xù)進(jìn)行其他處理，并以更少的周期得到加密(或解密)結(jié)果。

　　迅速擴(kuò)展的能源敏感應(yīng)用類別(由少數(shù)高端類別如智能電能計量領(lǐng)導(dǎo))重新定義了用電池驅(qū)動一個產(chǎn)品的意義。這些產(chǎn)品必須在單電池的驅(qū)動下提供服務(wù)，這一時間與電池本身的有效期一致，并與電池制造商規(guī)定的最大時間間隔(長達(dá)甚至超過20年)一致。只有一個高度集成的單芯片微控制器能為這樣的設(shè)計提供一個現(xiàn)實的解決辦法。

　　IC設(shè)計工程師十分注重低功耗芯片設(shè)計的每個方面，這樣的IC架構(gòu)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)計工程師，同時盡可能地降低了功率要求。