破解MCU超低功耗難題，ST新一代U5靠什么制勝？

隨著可穿戴、個(gè)人醫(yī)療、家庭自動(dòng)化和工業(yè)傳感器等智能設(shè)備的增長(zhǎng)，對(duì)低功耗、高性能、高安全性的MCU（微控制器）的需求日益提升。2021 年3 月，意法半導(dǎo)體（ST）在其經(jīng)典的超低功耗L 系列基礎(chǔ)上，推出了新一代產(chǎn)品線——STM32U5。

U5 采用了多種超低功耗技術(shù)。不久前，ST 中國(guó)區(qū)微控制器事業(yè)部市場(chǎng)及應(yīng)用總監(jiān)曹錦東、ST 中國(guó)區(qū)微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理彭祖年向電子產(chǎn)品世界等媒體揭開(kāi)了其廬山真面目。

1   U5的3個(gè)特點(diǎn)

STM32U5 的定義是一個(gè)低功耗旗艦級(jí)產(chǎn)品線，最大的3 個(gè)特點(diǎn)：①超低功耗。②在超低功耗平臺(tái)上提升了性能，是基于高性能和超低功耗兩者結(jié)合的集合。③增強(qiáng)了安全可靠方面的功能，適合IoT 應(yīng)用。為了研制U5 產(chǎn)品線，ST 內(nèi)部花了漫長(zhǎng)的時(shí)間在研發(fā)，創(chuàng)新不僅在工藝（注：達(dá)到40 nm），在IP 還包括整個(gè)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，使該低功耗產(chǎn)品線能夠支持到現(xiàn)在的

消費(fèi)電子、可穿戴以及工業(yè)控制領(lǐng)域。

2   對(duì)功耗的偏見(jiàn)

U5 對(duì)超低功耗和高性能有很好的結(jié)合。其節(jié)能成績(jī)單如下圖。這是在第三方EEMBC ULP Benchmark 上面得到的測(cè)試結(jié)果。該測(cè)試結(jié)果不僅包含了運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)性能的評(píng)估，同時(shí)也將芯片在各種模式下的功耗水平綜合體現(xiàn)出來(lái)。

這里糾正一個(gè)偏見(jiàn)：很多用戶可能會(huì)比較關(guān)注超低功耗產(chǎn)品的μA/MHz 參數(shù)，但該參數(shù)是在運(yùn)行狀態(tài)下，以及特定場(chǎng)景中針對(duì)CPU 耗電量的評(píng)估，并不能代表系統(tǒng)整體的功耗水平。為了實(shí)現(xiàn)低功耗，我們要看什么應(yīng)用方向，該應(yīng)用方向里它需要什么外設(shè)的工作，所需要系統(tǒng)采用的功耗模式該怎么做？例如手表，佩戴后一直在采樣數(shù)據(jù)，抬手時(shí)就要顯示數(shù)據(jù)，但可能平常走路時(shí)沒(méi)有抬手，就沒(méi)有顯示，CPU 是睡眠的。再例如，有些表計(jì)用CPU 每個(gè)月只要醒幾次就可以了，但是外設(shè)也一直在做數(shù)據(jù)的采集。ST所M3以2U不5 U同LP模B式EN的CH功 節(jié)耗能不成一績(jī)單樣。

所以，如何參考系統(tǒng)整體功耗水平，可以將目光轉(zhuǎn)移到ULP Benchmark 的評(píng)比上，它會(huì)針對(duì)不同的測(cè)試狀況，去綜合評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行性能、運(yùn)行功耗、休眠狀態(tài)和喚醒時(shí)的功耗。在一些測(cè)試的項(xiàng)目中，還會(huì)包括針對(duì)芯片外設(shè)功耗的評(píng)估。與前幾代STM32 L 系列超低功耗產(chǎn)品線進(jìn)行對(duì)比后，可見(jiàn)U5 系列已經(jīng)達(dá)到了240DMIPS 和651Coremark 的性能評(píng)分（如下圖）。同時(shí)，為了進(jìn)一步挖掘U5 性能的潛力，U5 上還有數(shù)學(xué)運(yùn)算加速器、ART 加速器等單元，以輔助和加速整個(gè)芯片內(nèi)部運(yùn)算系統(tǒng)的效率。

其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：對(duì)于STM32，從過(guò)去的L1 到L0、L4、L5，① ST 有最新的工藝，從過(guò)去的110 nm到90 nm，直到現(xiàn)在的40 nm 工藝，可能工藝本身也會(huì)帶來(lái)動(dòng)態(tài)功耗的節(jié)約；然而，靜態(tài)功耗卻是相反的，這是兩個(gè)相悖的數(shù)據(jù)。②外設(shè)方面也做了更精確的設(shè)計(jì)，這是系統(tǒng)性的問(wèn)題。

可以看到，U5 的系統(tǒng)復(fù)雜性比以往更高，要保持同樣的主頻上，功耗要更低其實(shí)是很難的挑戰(zhàn)。

3   為何功耗更低？

節(jié)省功耗需要考慮多種因素（如下圖），需要更多的功耗模式與更多的節(jié)電小技巧。

1）休眠模式下仍可工作

針對(duì)低功耗，STM32U5 有一個(gè)特殊的功能：低功耗后臺(tái)的自主模式。即當(dāng)芯片進(jìn)入低功耗模式時(shí)，CPU是需要斷電的，但產(chǎn)品外面可能還會(huì)搭載很多的傳感器。這些傳感器的數(shù)據(jù)可能會(huì)實(shí)時(shí)地輸入到主控芯片這一側(cè)。通常情況下，該傳感器的數(shù)據(jù)傳輸是需要系統(tǒng)或CPU 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但U5 設(shè)置了一個(gè)獨(dú)特的外設(shè)，可以將很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC 等外設(shè)上的數(shù)據(jù)，在不喚醒CPU 的情況下，搬運(yùn)至MCU 內(nèi)部一塊SRAM4，約有16kB 的空間。當(dāng)這些數(shù)據(jù)累計(jì)到一定數(shù)量時(shí)，再喚醒Cortex-M33 內(nèi)核進(jìn)行一次性的批處理。

這里帶來(lái)的體驗(yàn)是：不需要頻繁地喚醒CPU，只使能外設(shè)，其功耗是非常低的。因?yàn)閺耐獠康膫鞲衅鳙@取數(shù)據(jù)，避免了中間頻繁的喚醒。ST 做了大概的測(cè)試，類似于經(jīng)典數(shù)據(jù)采集以及喚醒處理的模型，大約可將CPU喚醒的次數(shù)降為原來(lái)的休1/10。

在芯片內(nèi)部功耗管理下面，有更多靈活的功耗模式可供客戶選擇。其中一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景是Stop 模式，同時(shí)保存部分SRAM 或全部SRAM 中的數(shù)據(jù)。這樣的狀態(tài)下，功耗是個(gè)位數(shù)的μA 級(jí)。

2）U5 芯片上更多省電的小技巧

可以通過(guò)內(nèi)置的SMPS 降低CPU 的內(nèi)核供電電壓。

在不同功耗模式下切換，也可以達(dá)到μs 級(jí)的切換速度。

SRAM 和Flash 都可以讓用戶自己去選擇究竟可以保留多少的空間，這樣用戶可以根據(jù)自己實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)進(jìn)一步避免不必要的能量損失。值得一提的是，內(nèi)部的Flash 是雙bank 設(shè)計(jì)的，可將不常用的bank 在低功耗模式下斷電，這樣功耗可以節(jié)省40 μA 左右。但是當(dāng)指令跳轉(zhuǎn)到被斷電的Flash Bank 上時(shí)，系統(tǒng)是可以自動(dòng)喚醒的，只需要等待5μs 的延時(shí)?；蛘呖梢园褍?nèi)部的Flash 通過(guò)損失一些讀取速度的方式去讓它進(jìn)入一種低功耗的模式，大概可以減少系統(tǒng)先進(jìn)45且μ靈A活的的能低耗功。

4   小結(jié)

可見(jiàn)，結(jié)合多種多樣的低功耗模式的設(shè)計(jì)，以及更多的省電小技巧，只要用戶能夠去玩轉(zhuǎn)U5 中這些小設(shè)計(jì)，就可以將功耗管理做到極致。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）