設(shè)計(jì)低能耗嵌入式系統(tǒng)

第一部分硅芯片選擇

簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)低能耗系統(tǒng)時(shí)，我們需要關(guān)注一些非傳統(tǒng)因素，這些因素涉及范圍從硅芯片生產(chǎn)工藝技術(shù)，到基于單片機(jī)的嵌入式平臺(tái)上所運(yùn)行的軟件。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)層面的深入分析，本文討論決定MCU能效的三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：工作模式功耗、待機(jī)模式功耗和占空比(他決定各種狀態(tài)下所占用的時(shí)間比率，由軟件自身來(lái)決定)。

低能耗待

機(jī)狀態(tài)使MCU看上去具有超高能效，但事實(shí)是，只有考慮了控制工作模式功耗的所有因素后才能決定MCU的能效狀況?？傊?，對(duì)于處理工藝、IC架構(gòu)和軟件結(jié)

構(gòu)選擇的權(quán)衡是十分微妙的決定因素，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。此外，單片機(jī)上功能模塊相結(jié)合的方式對(duì)整體能耗加以動(dòng)態(tài)影響。即使對(duì)硬件實(shí)現(xiàn)看似小而輕微

的改變，都可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行周期中整體能耗的大幅波動(dòng)。

低能耗應(yīng)用

舉幾個(gè)應(yīng)用示例。測(cè)量和報(bào)警系統(tǒng)通常由單電池供電，并具有約10年的生命周期。在傳感器讀取操作上(在產(chǎn)品生命周期中可能發(fā)生幾億次)，小小的電流消耗增

長(zhǎng)就可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命減少幾年。而一個(gè)簡(jiǎn)單的煙霧報(bào)警器，需每秒檢測(cè)一次空中煙霧粒子是否存在，在其生命周期中將要執(zhí)行3.15億次讀取操

作。

簡(jiǎn)單煙霧報(bào)警器的工作比例或占空比是相當(dāng)?shù)偷?。每次傳感器讀取操作可能花費(fèi)時(shí)間不超過(guò)幾百微秒，而大部分時(shí)間都消耗在其他方面，包括：校準(zhǔn)和準(zhǔn)備過(guò)程，單

片機(jī)喚醒模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和其他感應(yīng)模擬器件，并等待其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)的時(shí)間。在這種情況下，工作周期可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)中的非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)間大約占總時(shí)間的

99.98%。

傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警器比較簡(jiǎn)單。我們來(lái)看一個(gè)更復(fù)雜的RF設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)結(jié)果通過(guò)傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鳈C(jī)應(yīng)用中。傳感器需要監(jiān)聽(tīng)主節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，由

此他可以發(fā)信號(hào)表明自己仍然在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，或者為路由器提供當(dāng)前所捕獲信息。額外的工作不一定會(huì)影響整個(gè)占空比，相反，在活動(dòng)周期中，使用更高性能的裝置

還可以執(zhí)行更多功能，因?yàn)楦咝阅苎b置提高了處理速度(可通過(guò)使用更先進(jìn)的架構(gòu)和半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn))，與運(yùn)行更多周期的慢速裝置相比，快速裝置具備更高能效。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于理解工藝技術(shù)、MCU架構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)之間的相互作用。

第一部分：硅芯片選擇

CMOS能耗分布

幾乎所有的MCU都通過(guò)CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。任何工作邏輯電路的功耗可由公式CV2f決定，其中：C代表裝置中開(kāi)關(guān)電路路徑上的總電容，V代表供電電壓，f

代表操作頻率。參見(jiàn)圖1，電壓和電容是生產(chǎn)工藝技術(shù)相關(guān)的因子。在過(guò)去的三十年中，CMOS邏輯的片上操作電壓已經(jīng)從12V下降到2

V以下，同時(shí)晶體管體積也大大縮小。因?yàn)殡妷涸诠ぷ鞴姆匠淌街惺嵌魏瘮?shù)，因此使用較低電壓將對(duì)功耗帶來(lái)顯著的影響。

電容作為可使總功耗降低的一項(xiàng)因子，雖然是線(xiàn)性，也大大受益于摩爾定律。對(duì)于給定的邏輯函數(shù)來(lái)說(shuō)，更先進(jìn)的生產(chǎn)工藝可提供比之前更小體積的電容，并且可獲得更低的功耗。此外，還有一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)可以降低整體開(kāi)關(guān)頻率，這種技術(shù)被稱(chēng)為時(shí)鐘門(mén)控。

與其他技術(shù)相比，CMOS可以極大降低能源浪費(fèi)，但同時(shí)存在漏電損耗。與工作模式功耗相比，漏電損耗以摩爾定律速率來(lái)增加，在所有低能耗應(yīng)用中都要加以考

慮，因?yàn)樗c低占空比系統(tǒng)的非工作時(shí)間成正比。然而，和工作模式功耗一樣，電路設(shè)計(jì)對(duì)真實(shí)漏電損耗產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。類(lèi)似時(shí)鐘門(mén)控，功率門(mén)控也能夠大大減輕漏

電損耗的影響，采用更多先進(jìn)工藝的節(jié)點(diǎn)是低占空比系統(tǒng)的更好選擇，即使是舊的工藝技術(shù)也可以獲得更低的理論漏電損耗量。

適用的生產(chǎn)工藝技術(shù)

每一個(gè)特性集都有合適的生產(chǎn)工藝技術(shù)。關(guān)鍵在于，當(dāng)裝置長(zhǎng)時(shí)間處于休眠模式時(shí)，僅僅依賴(lài)一種具有最低理論漏電損耗的生產(chǎn)工藝技術(shù)是不夠的。在休眠模式，可

以禁止為MCU中大部分部件供電，把漏電組件排除在方程式之外。當(dāng)電路處于工作模式，漏電損耗是一個(gè)大問(wèn)題，簡(jiǎn)單的方法是利用更先進(jìn)和高效的晶體管所帶來(lái)

的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行彌補(bǔ)。

舉例來(lái)說(shuō)，與專(zhuān)用低功耗180nm生產(chǎn)工藝的漏電損耗相比，90nm生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的漏電損耗高五倍，但工作模式功耗低4倍，這是基于一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值來(lái)

計(jì)算。假設(shè)一個(gè)180nm工藝的單片機(jī)，其具有40mA工作電流消耗和60nA休眠模式功耗，與采用90nm工藝實(shí)現(xiàn)的功耗級(jí)別相比，90nm工藝單片機(jī)

工作電流功耗可降低到10mA，但是休眠模式電流卻達(dá)到300nA。

在上面的例子中，對(duì)于90nm工藝MCU來(lái)說(shuō)，為了獲得更好的整體功效必須有0.0008%的活動(dòng)時(shí)間。換句話(huà)講，如果系統(tǒng)每天有1秒鐘活動(dòng)時(shí)

間，90nm版本的功效大約是180nm版本的1.5倍。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇一種生產(chǎn)工藝時(shí)，了解應(yīng)用占空比是十分重要的。(參見(jiàn)圖2。)

一旦適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)被選中，IC設(shè)計(jì)者具有進(jìn)一步優(yōu)化能效的選項(xiàng)。當(dāng)時(shí)鐘門(mén)控的概念首次推出時(shí)，僅僅粗略的應(yīng)用在設(shè)計(jì)中。時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)人員要清楚特定時(shí)間內(nèi)，哪一條邏輯路徑需要時(shí)鐘信號(hào)。

時(shí)鐘分配

大多數(shù)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)采用分層結(jié)構(gòu)，把時(shí)鐘信號(hào)和適當(dāng)?shù)碾妷弘娖椒峙涞絀C的每個(gè)部分。各功能單元(諸如指令處理塊和外圍設(shè)備)組成不同的組。這些組通過(guò)分離

的時(shí)鐘樹(shù)和電源網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)鐘信號(hào)和電源。每個(gè)組中的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)自于一個(gè)公共時(shí)鐘源，然后分頻或倍乘。如果不同組需要不同的電壓，則傳送到每個(gè)外設(shè)組的電壓

由一系列功率晶體管和電壓調(diào)節(jié)器控制，現(xiàn)在這種做法越來(lái)越普及。

為了最大程度降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，MCU使用相對(duì)簡(jiǎn)單的時(shí)鐘門(mén)控策略，只要功能組中沒(méi)有任何功能單元處于工作狀態(tài)，整個(gè)時(shí)鐘樹(shù)就關(guān)閉;此種情況下，仍然允許

處于工作狀態(tài)的組中，為沒(méi)有執(zhí)行工作的邏輯提供時(shí)鐘信號(hào)。例如CPU內(nèi)核中的加法器單元可以接收時(shí)鐘信號(hào)，即使當(dāng)前是一條分支指令。加法器單元中由時(shí)鐘信

號(hào)觸發(fā)的開(kāi)關(guān)增加了功耗，這是通過(guò)之前所述的CV2f公式中的一個(gè)因子引起的。

設(shè)計(jì)工具和技術(shù)的改進(jìn)為人們帶來(lái)好處：在運(yùn)行周期中，當(dāng)不需要時(shí)鐘信號(hào)的外圍設(shè)備或功能單元不執(zhí)行操作時(shí)，可以增加時(shí)鐘門(mén)控的控制精度。

電壓縮放可進(jìn)一步節(jié)省功耗，當(dāng)需要時(shí)他可為特定功能單元組提供更低的電壓。為一組功能單元或外設(shè)提供適當(dāng)電壓的關(guān)鍵是使用片上電壓調(diào)節(jié)器或DC-DC變換器，并且使用監(jiān)視電路確保IC操作在所需電壓上。

供電原則

片上電壓調(diào)節(jié)器為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供更高的靈活性，可以從電池中獲得更多的電荷。例如，一個(gè)片上開(kāi)關(guān)降壓變換器(已經(jīng)集成在Silicon Labs SiM3L1xx

系列產(chǎn)品上)，可以把工業(yè)電池上的3.6V電壓以超過(guò)80%的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換成1.2V。許多MCU沒(méi)有此功能，而使用線(xiàn)性元件降壓到適當(dāng)?shù)碾娖?，這造成了

巨大的浪費(fèi)。在先進(jìn)的技術(shù)中，當(dāng)電池放電到不能再執(zhí)行轉(zhuǎn)換功能時(shí)，降壓型穩(wěn)壓器可以關(guān)閉。因此電源可以在裝置的整個(gè)生命周期中優(yōu)化能源效率，所有這些都可

在軟件控制下實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

低能耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)整體的設(shè)計(jì)過(guò)程，需要選擇合適的硅芯片、軟件和開(kāi)發(fā)工具。通過(guò)掌握這些變量因素之間的關(guān)系，系統(tǒng)工程師可以開(kāi)發(fā)出更高性能和高能效的嵌入式系統(tǒng)，突破電池供電型應(yīng)用的諸多限制。

“從硅芯片到軟件— 設(shè)計(jì)低能耗嵌入式系統(tǒng)”的第二部分探討了開(kāi)發(fā)人員為實(shí)現(xiàn)最低功耗而優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)時(shí)，需要考慮的軟件設(shè)計(jì)原則。