高能效入門(mén)級(jí)MCU 定義全新低功耗

引言

在經(jīng)常提及物聯(lián)網(wǎng) (IoT)的新時(shí)代——數(shù)十億的“智能終端”，預(yù)計(jì)在未來(lái)十年內(nèi)會(huì)把各種應(yīng)用與設(shè)備都連接起來(lái)——嵌入式技術(shù)不再僅僅限于以機(jī)械方式生產(chǎn)基本商品。物聯(lián)網(wǎng)是數(shù)據(jù)和控制自動(dòng)化的時(shí)代，互連設(shè)備和節(jié)點(diǎn)收集信息并與智能系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)解決問(wèn)題(例如當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到無(wú)人在家時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)整恒溫器)。嵌入式技術(shù)的本質(zhì)便是將傳感、處理和連接結(jié)合起來(lái)使IoT變成現(xiàn)實(shí)。

人們對(duì)功能性、連接性及便攜性的需要呈指數(shù)級(jí)增加，而大眾市場(chǎng)電池技術(shù)尚未能同步前進(jìn)，無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。終端節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，需要具有極長(zhǎng)電池壽命才能保證穩(wěn)定可靠兼且保持較低成本。一方面能耗預(yù)算決定了新產(chǎn)品的最終設(shè)計(jì)，而市場(chǎng)方面又不允許制造商降低性能。設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是，必須以相同甚至更低的能耗預(yù)算實(shí)現(xiàn)更高的性能目標(biāo)。

高能效的整體趨向

越來(lái)越多的“智能技術(shù)”產(chǎn)品需要滿(mǎn)足用戶(hù)的更多功能要求，而僅僅通過(guò)查看原始數(shù)據(jù)表上的數(shù)字來(lái)判斷能效的方法已經(jīng)無(wú)法提供充分有力的參考。能耗預(yù)算需要考慮“低功耗”，或者在提供特定功能時(shí)消耗了多少電流，此外，還需要考慮更多的要素“能源效率”或者說(shuō)一段時(shí)間內(nèi)的能耗。換句話(huà)說(shuō)，我們必須查清楚在單位時(shí)間內(nèi)完成指定任務(wù)的耗電量是多少。

在嵌入式系統(tǒng)中，低功耗才是王道，目標(biāo)是更高能效的通過(guò)多任務(wù)的管理去完成一個(gè)應(yīng)用程序。這些任務(wù)通?？梢愿爬槿齻€(gè)階段：初始化階段、控制階段(其中可能包括數(shù)據(jù)采集、通信和控制)及計(jì)算階段。在這三個(gè)階段降低能耗的公式非常簡(jiǎn)單，用更少的能源和時(shí)間完成更多操作(能耗= 功率 x 時(shí)間)。要真正實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不只優(yōu)化其中一個(gè)階段，而是需要優(yōu)化所有階段。

在所有階段實(shí)現(xiàn)節(jié)能有三個(gè)要素。首先，必須少激活和低待機(jī)功耗。其次，必須具有節(jié)能外設(shè)，這些外設(shè)要智能的、在不一直喚醒CPU的前提下采集、處理并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。第三，必須減少計(jì)算階段的處理時(shí)間，以返回深度睡眠模式，然后再重新開(kāi)始整個(gè)過(guò)程。

飛思卡爾深入研究了MCU的所有階段和各個(gè)方面，目的是解決更大的問(wèn)題：你怎樣用更少的能耗去做更多操作?結(jié)合整體觀念來(lái)考慮能效問(wèn)題對(duì)目前市場(chǎng)來(lái)說(shuō)還比較新穎。飛思卡爾致力于幫助客戶(hù)從這種新方法中獲益。

Kinetis L 系列：全球能效最高的32位MCU

飛思卡爾幾十年來(lái)不斷關(guān)注新興應(yīng)用趨勢(shì)并為客戶(hù)開(kāi)發(fā)解決方案，并充分利用這些經(jīng)驗(yàn)，致力于為更廣泛的應(yīng)用提供高能效的產(chǎn)品解決方案。Kinetis MCU產(chǎn)品組合提供卓越的低功耗性能，并具有智能功能集成、廣泛的外設(shè)及高擴(kuò)展能力等優(yōu)勢(shì)。多個(gè)Kinetis MCU家族，其中Kinetis L系列在內(nèi)是飛思卡爾高能效解決方案的最佳典范。

Kinetis L 系列MCU是 Kinetis 產(chǎn)品組合內(nèi)新上市的產(chǎn)品，與同類(lèi)入門(mén)級(jí)MCU相比，大大改進(jìn)了功能和效率，能夠在初始化、控制和計(jì)算階段顯著提高能效。請(qǐng)注意查看圖1所示的能效，該圖用橙色表示Kinetis L 系列的能耗曲線(xiàn)對(duì)比用褐色曲線(xiàn)的其他同類(lèi)產(chǎn)品。

圖 1：Kinetis L系列MCU可在應(yīng)用的所有階段，即初始化、控制和計(jì)算階段，大大提高能效。

在開(kāi)發(fā)Kinetis L系列的過(guò)程中，重點(diǎn)圍繞一個(gè)看似簡(jiǎn)單的概念：如何在沒(méi)有CPU干預(yù)的情況下采集數(shù)據(jù)，然后快速喚醒MCU，盡可能快速、高效地執(zhí)行相關(guān)功能，然后返回睡眠模式?最后實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是大大降低了曲線(xiàn)下方整個(gè)板卡的能耗(參見(jiàn)圖1)，為達(dá)到這個(gè)結(jié)果，我們采用了ARM Cortex-M0+ 處理器，為多個(gè)用例使用了超低功耗模式，還有節(jié)能型架構(gòu)技術(shù)以及一系列智能功耗管理的自主外設(shè)。

突破性設(shè)計(jì)：10 種靈活的功率模式

傳統(tǒng)的MCU過(guò)去只采用三種電源模式：運(yùn)行、睡眠和深度睡眠。然而，這種“以一概全”的思路對(duì)于嵌入式產(chǎn)品并不適用，因?yàn)榍度胧疆a(chǎn)品有多種不同的電源配置。飛思卡爾設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)充分利用飛思卡爾在MCU方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，并基于常見(jiàn)示例考察了多種潛在應(yīng)用和情景，進(jìn)行了全面、深入的分析。

分析結(jié)果表明，Kinetis L 系列MCU將傳統(tǒng)的3種電源模式擴(kuò)展為10種靈活的模式，能夠支持多種應(yīng)用用例，從而減少了能源曲線(xiàn)下方的面積，大大提高了能效。當(dāng)逐步進(jìn)入深度睡眠模式時(shí)，MCU開(kāi)始在功能上為更多邏輯和內(nèi)存控制功耗，同時(shí)還減少節(jié)能外設(shè)。

*計(jì)算操作啟用：3.6 mA @ 48 MHz 內(nèi)核 / 24 MHz 總線(xiàn))

**計(jì)算操作啟用：144 uA @ 4 MHz 內(nèi)核 / 1 MHz總線(xiàn))

a 部分Kinetis L 系列設(shè)備上提供

表 1：Kinetis L系列MCU將傳統(tǒng)的電源模式擴(kuò)展至10種靈活的模式，支持各種應(yīng)用用例。

表 2：初級(jí)電源模式術(shù)語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)創(chuàng)新提高能效

Kinetis L 系列MCU之所以能效高，在很大程度上要?dú)w功于一個(gè)創(chuàng)新的架構(gòu)，該架構(gòu)結(jié)合并改進(jìn)了ARM Cortex-M0+處理器的多個(gè)低功耗特性，而其它MCU通常未完全將它優(yōu)化。例如，要簡(jiǎn)化應(yīng)用的初始化階段，可以使用位操作引擎 (BME)，當(dāng)該引擎在外設(shè)上執(zhí)行以位為導(dǎo)向的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)可使循環(huán)時(shí)間與代碼大小平均減少40%。BME對(duì) OR、AND、XOR等函數(shù)進(jìn)行位字段插入和位字段提取進(jìn)行編碼。相反，傳統(tǒng)的32位處理器則需要多個(gè)指令才能執(zhí)行等效的讀取-修改-寫(xiě)操作。

另一個(gè)創(chuàng)新特性是低功耗啟動(dòng)選項(xiàng)，借助該選項(xiàng)可在啟動(dòng)順序或深度睡眠喚醒時(shí)減少峰值功率。這在因電池化學(xué)限制允許峰值電流的系統(tǒng)(例如，使用鋰離子電池的系統(tǒng))中尤為有用。此外，通過(guò)零漏電I/O和可避免過(guò)多電耗的外設(shè)時(shí)鐘門(mén)控配置，避免超過(guò)漏電電流。

Kinetis L 系列MCU采用飛思卡爾創(chuàng)新、屢獲殊榮的閃存技術(shù)，提供業(yè)界功耗最低的閃存部署。這改進(jìn)了傳統(tǒng)的基于芯片的電荷存儲(chǔ)方法，創(chuàng)建了納米級(jí)硅島來(lái)存儲(chǔ)電荷，而不使用連續(xù)膜，進(jìn)一步使閃存不被典型的數(shù)據(jù)丟失因素所影響。

智能電源外設(shè)

Kinetis L系列MCU在外設(shè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低功耗智能，允許外設(shè)在深度睡眠模式下通過(guò)備用時(shí)鐘源自主運(yùn)行。L 系列外設(shè)猶如微型內(nèi)核，能夠在不喚醒主內(nèi)核或系統(tǒng)的前提下執(zhí)行任務(wù)，從而大大降低功耗，提高電池使用壽命。例如，Kinetis L 系列 MCU包含異步DMA (ADMA)喚醒功能，允許某些外設(shè)在停止和VLPS模式下請(qǐng)求DMA傳輸。ADMA模塊將在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而無(wú)需返回運(yùn)行模式，也無(wú)需請(qǐng)求處理器進(jìn)行干預(yù)。支持外設(shè)在深度睡眠狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行，可向SRAM中的數(shù)據(jù)陣列來(lái)回傳輸數(shù)據(jù)，直至收集到足夠數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其它競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品則需要喚醒到全運(yùn)行模式去激活外設(shè)并完成數(shù)據(jù)收集階段，然后返回深度睡眠模式。

例如，回到圖 1。采用Kinetis L 系列 MCU，數(shù)據(jù)收集階段在深度睡眠模式下開(kāi)始并顯示了低功耗定時(shí)器觸發(fā)的三個(gè)周期性事件。該定時(shí)器觸發(fā)低功耗ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，并通過(guò)ADC內(nèi)置的比較特性將結(jié)果與預(yù)編程的閾值進(jìn)行對(duì)比。該特性可避免一旦得出的值不在理想?yún)?shù)范圍內(nèi)時(shí)需要存儲(chǔ)結(jié)果。請(qǐng)注意，前兩個(gè)事件不觸發(fā)去存儲(chǔ)結(jié)果。然而，最后一個(gè)事件則會(huì)觸發(fā)，而不用喚醒CPU來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，相當(dāng)微小的能量溢出。這是可以實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)長(zhǎng)系列的節(jié)能型外設(shè)支持異步DMA 喚醒功能，可以將ADC結(jié)果存儲(chǔ)到SRAM供以后處理，在這個(gè)過(guò)程中CPU依然處于睡眠狀態(tài)。在DMA傳輸完成后，MCU會(huì)自動(dòng)返回深度睡眠模式。在通過(guò)低功耗UART收集或傳輸完足夠的數(shù)據(jù)后，CPU便可以‘喚醒’，并開(kāi)始計(jì)算階段。這只是Kinetis L 系列 MCU提供節(jié)能外設(shè)的其中一個(gè)例子。

為了最大限度地利用深度睡眠電源模式的高能效，外設(shè)的智能集成是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)的MCU中，必須激活主時(shí)鐘和處理器內(nèi)核才能執(zhí)行任務(wù)，即使是執(zhí)行發(fā)送或接收數(shù)據(jù)、捕捉或生成波形或采樣模擬信號(hào)等小任務(wù)也是如此。

表3

Kinetis L系列MCU在正面比拼的競(jìng)爭(zhēng)中勝出

在與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相應(yīng)的16位低功耗MCU展開(kāi)正面能效基準(zhǔn)挑戰(zhàn)賽中，L 系列證明它是全球能效最高的入門(mén)級(jí)MCU。每個(gè)MCU都由完全相同的充電電路供電，并都對(duì)低功耗運(yùn)行進(jìn)行了優(yōu)化。這些MCU執(zhí)行重復(fù)周期的EEMBC CoreMark®迭代，然后進(jìn)入五秒鐘的深度睡眠期，連續(xù)重復(fù)上述操作直到最后一個(gè)MCU依然能夠激活。在與同級(jí)別超高效競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手對(duì)比中，Kinetis L 系列MCU是堅(jiān)持到最后的那款。

Kinetis L 系列MCU將一流的處理能力與卓越的低功耗運(yùn)行相結(jié)合，測(cè)量得出的結(jié)果為15.9 CoreMark/mA，遠(yuǎn)高于最具競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的參數(shù)(參見(jiàn)下圖2)。

圖 2：Kinetis KL02 MCU集一流的處理能力與卓越的低功耗運(yùn)行于一身，以測(cè)量結(jié)果為15.9 CoreMark/mA，的優(yōu)異成績(jī)勝出。

結(jié)語(yǔ)

飛思卡爾的創(chuàng)新思維，通過(guò)Kinetis L系列MCU卓越的能效領(lǐng)導(dǎo)地位，為嵌入式系統(tǒng)打開(kāi)了一扇新的大門(mén)，為物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的希望。無(wú)論是需要延長(zhǎng)電池壽命、提高便攜式性能、降低能源成本還是遵從能源標(biāo)準(zhǔn)，飛思卡爾廣泛的嵌入式高能效產(chǎn)品解決方案都能夠使新一代應(yīng)用實(shí)現(xiàn)功耗與性能的完美平衡。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)4月《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特刊》EE Design欄目