MCU的高集成度與低功耗設計權(quán)衡

低功耗設計和能耗管理

能耗管理是芯片設計、制造工藝、系統(tǒng)設計、軟件工程師都在為之而努力的研究課題，人們力求在各個環(huán)節(jié)盡可能地減少靜態(tài)和動態(tài)的電源消耗。傳統(tǒng)的控制電壓的調(diào)節(jié)方式和管理待機模式依然被多數(shù)電子設備正在采用，還將繼續(xù)延續(xù)下去，但是隨著包括移動終端、無線傳感網(wǎng)絡裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計和體能監(jiān)測儀等手持醫(yī)療設備等 這些對電量消耗極大和永遠在線的設備市場規(guī)模的迅速增加，解決電源管理已經(jīng)成為整個電子設計正在面臨的重要課題， 市場對綠色產(chǎn)品的需求促使制造商考慮采用低功耗的待機模式，作為嵌入式系統(tǒng)靈魂部件的 MCU 近年在低功耗設計和能耗管理方面的動作很大，各種新產(chǎn)品應運而出。

Silicon Lab 是一家以提供 8051 核 MCU 為主的公司，最近發(fā)表的單電池供電的 80C51 MCU——8051F9XX，最低電壓可到 0.9V，其超低電壓供電是業(yè)界少見的。該芯片內(nèi)置了DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器和 LDO 轉(zhuǎn)換器，可以提供恒定的 1.7V 電壓和電流，以適應外設的工作，也可以減少電路板的尺寸，更重要的是 80C51F9XX 有超低功耗的休眠模式(電流只有 50nA )，大大提高了電池的效率和使用時間。

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圖 2 顯示了該芯片電流隨頻率的變化。

另外一款 MCU 是 Atmel 公司發(fā)布的行業(yè)第一款超低功耗 ARM7TDMI 閃存 MCU - AT91SAM7L，它在關(guān)機模式只消耗 100nA 電流，這得益于 該系列產(chǎn)品嵌入了控制多個功率島的功率開關(guān)，以及可編程的電壓調(diào)節(jié)器，用于降低工作和待機模式下的功耗。AT91SAM7L 系列產(chǎn)品針對工作和待機模式吸收了嵌入式 CPU 的動態(tài)電源管理技術(shù)，采用 MCU 領(lǐng)域里創(chuàng)新的降低功耗方式。在工作模式下，能通過編程設置工作電壓和工作頻率、外設時鐘活動，采用 DMA 來替代 CPU 完成數(shù)據(jù)傳輸，可以優(yōu)化功耗。 SAM7L 采用單電壓 1.8V 模式工作，在閃存中執(zhí)行代碼時，典型的電流消耗為 0.5mA/MHz 。不同待機模式的功耗可通過多種方式來加以控制(包括功率開關(guān)和可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器)，可以看到先進的電源管理技術(shù)使得AT91SAM7L 具有良好的節(jié)能效果，再配合系統(tǒng)的優(yōu)化，可以預見基于 AT91SAM7L 的嵌入式裝置的功耗管理可以達到相同的水平。另外，談到超低功耗 MCU 產(chǎn)品，還應該提到的是 TI 公司的 MSP430543X 16 位超低功耗 MCU ，MSP430543X 是在 MSP430 家族衍生出的一個強調(diào)低功耗的芯片，繼續(xù)繼承了高集成的外設支持、低電壓工作模式、豐富連接方式(包括紅外，多串口等)，以適合便攜測試裝置設計外，特別值得一提的是 DSC 的使用使得快速喚醒時間提高到 5us 以內(nèi)，已經(jīng)非常接近 8 位 MCU8051F9XX 的數(shù)量級。這對于工業(yè)測量裝置滿足實時性要求是非常重要的。一個優(yōu)秀的快速喚醒技術(shù)可以讓降低功耗和保持實時性達到統(tǒng)一。

開發(fā)工具的融合

伴隨電子產(chǎn)品復雜度增加， MCU 程序代碼量日益增加，雖然 C 語言已經(jīng)是 MCU 逐鹿的開發(fā)語言，但是考慮到不同的 MCU 之間的差異(例如寄存器和外設接口)、不同廠家 C 語言的工程文件和宏定義等方面的問題，還有采用的 RTOS 的不同，代碼的移植和移植后的測試還有一個相當大的工作量。一種方案是繼續(xù)沿用老的 MCU 或者升級換代的兼容產(chǎn)品，這樣工具就可以繼續(xù)延用了，另外就是采用統(tǒng)一的開發(fā)工具支持不同廠家的 MCU 。

最近一段時間的兩件事情應該是驗證了統(tǒng)一工具的重要性。一是; ARM 在 2007 年收購 Keil 公司后重新整合了 ARM 開發(fā)工具，發(fā)表了新的針對 MCU 市場的 ARM MDK，其中使用 Keil uVision IDE 和工程管理取代了以前的 ARM RealView/SDT, 讓過去許多已經(jīng)熟悉了 Keil 51 的用戶，能夠在工具方面沒有障礙地轉(zhuǎn)移到 ARM 結(jié)構(gòu) MCU。二是;飛思卡爾公司宣布它們的 Coldfire 支持 IAR EW(embedded workbench)工具，因為 IAR EW 可以支持各種 8 、16 和 32 位 MCU，大家知道之前飛思卡爾一直是只支持自己的 Codewarrier 工具，這樣的工具融合現(xiàn)象說明了MCU 廠家已經(jīng)意識到一致性工具對用戶的重要性。

結(jié)語

面向無處不在的各種各樣的嵌入式應用，MCU 未來的發(fā)展一定是豐富多彩的，從歷史發(fā)展的軌跡看，一種芯片、一家公司和一種體系結(jié)構(gòu)無法滿足變化萬千的市場需求，正確把握 MCU 的發(fā)展趨勢，選擇適合你的產(chǎn)品和開發(fā)工具，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本和開發(fā)周期的關(guān)鍵。同時關(guān)注 MCU 的動態(tài)，選擇具有特色的 MCU 能夠幫助你的產(chǎn)品創(chuàng)新和差異化設計，收到與眾不同的效果。