可延長電池壽命的新一代節(jié)能微控制器設計

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

　　一旦MCU被喚醒并執(zhí)行應用代碼，M3內核使用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)產品時，MCU設計工程師需要部署更多策略。其中一個是不僅減少內核在實際處理應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動)，并且CPU正在準備做“真正的工作”。一種途徑是最大限度地減少與內核時鐘信號供應相關的啟動時間。眾所周知，當一個晶體振蕩器從關閉狀態(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的時基可能不夠準確，但它會在開機后的幾乎一瞬間產生有規(guī)則的輸出。部分解決方案是縮短同時提供信號的時間。CPU在開機上電的同時就開始運行，由RC振蕩器進行計時，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。

　　簡單任務無需MCU內核

　　盡管設計工程師非常小心地為一個高性能處理內核提供電源，并且在盡可能短的時間內實現了這個目標，但芯片設計師或系統(tǒng)設計師有必要問問給定任務是否需要這樣的內核，即如果喚醒它只是執(zhí)行簡單任務的話，即使是最節(jié)能的內核也會浪費電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應用作個例子，它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時間間隔內將測量結果報告到中央數據記錄器中。運行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內核，但這會更頻繁地打開模數轉換器，指揮A/D轉換，并以低功耗內存積累結果。如果只要求外圍設備設置在互連矩陣(圖4)控制下自主運行的話，消耗的功率會更少。由于應用的差別很大，能夠靈活地選擇哪些功能模塊來供電以及它們如何通信對充分利用這一概念非常重要。

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

　　在電源預算中加密

　　眾所周知，在現代CMOS半導體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區(qū)成本相對較低。這產生了與直覺略微不一致的結果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控數。利用先進的時鐘樹設計、時鐘門控和片上電源開關等技術，IC設計工程師可以隨時輕松地完全關斷不需要的功能。這種方法的一個突出功能就是加密。即使是看似平常的數據現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內核而言不是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，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花在了執(zhí)行算法中的一些內部循環(huán)計算上，增加一個AES加速器硬件模塊可使MCU停止AES算法，轉向專用硬件，MCU繼續(xù)進行其他處理，并以更少的周期得到加密(或解密)結果。

　　迅速擴展的能源敏感應用類別(由少數高端類別如智能電能計量領導)重新定義了用電池驅動一個產品的意義。這些產品必須在單電池的驅動下提供服務，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計提供一個現實的解決辦法。

　　IC設計工程師十分注重低功耗芯片設計的每個方面，這樣的IC架構現在可以提供現代、功能強大的32位處理器內核給產品設計工程師，同時盡可能地降低了功率要求。