破解MCU超低功耗難題，ST新一代U5靠什么制勝？

隨著可穿戴、個人醫療、家庭自動化和工業傳感器等智能設備的增長，對低功耗、高性能、高安全性的MCU（微控制器）的需求日益提升。2021 年3 月，意法半導體（ST）在其經典的超低功耗L 系列基礎上，推出了新一代產品線——STM32U5。

U5 采用了多種超低功耗技術。不久前，ST 中國區微控制器事業部市場及應用總監曹錦東、ST 中國區微控制器產品市場經理彭祖年向電子產品世界等媒體揭開了其廬山真面目。

1   U5的3個特點

STM32U5 的定義是一個低功耗旗艦級產品線，最大的3 個特點：①超低功耗。②在超低功耗平臺上提升了性能，是基于高性能和超低功耗兩者結合的集合。③增強了安全可靠方面的功能，適合IoT 應用。為了研制U5 產品線，ST 內部花了漫長的時間在研發，創新不僅在工藝（注：達到40 nm），在IP 還包括整個架構的設計，使該低功耗產品線能夠支持到現在的

消費電子、可穿戴以及工業控制領域。

2   對功耗的偏見

U5 對超低功耗和高性能有很好的結合。其節能成績單如下圖。這是在第三方EEMBC ULP Benchmark 上面得到的測試結果。該測試結果不僅包含了運行狀態下對性能的評估，同時也將芯片在各種模式下的功耗水平綜合體現出來。

這里糾正一個偏見：很多用戶可能會比較關注超低功耗產品的μA/MHz 參數，但該參數是在運行狀態下，以及特定場景中針對CPU 耗電量的評估，并不能代表系統整體的功耗水平。為了實現低功耗，我們要看什么應用方向，該應用方向里它需要什么外設的工作，所需要系統采用的功耗模式該怎么做？例如手表，佩戴后一直在采樣數據，抬手時就要顯示數據，但可能平常走路時沒有抬手，就沒有顯示，CPU 是睡眠的。再例如，有些表計用CPU 每個月只要醒幾次就可以了，但是外設也一直在做數據的采集。ST所M3以2U不5 U同LP模B式EN的CH功 節耗能不成一績單樣。

所以，如何參考系統整體功耗水平，可以將目光轉移到ULP Benchmark 的評比上，它會針對不同的測試狀況，去綜合評估系統的運行性能、運行功耗、休眠狀態和喚醒時的功耗。在一些測試的項目中，還會包括針對芯片外設功耗的評估。與前幾代STM32 L 系列超低功耗產品線進行對比后，可見U5 系列已經達到了240DMIPS 和651Coremark 的性能評分（如下圖）。同時，為了進一步挖掘U5 性能的潛力，U5 上還有數學運算加速器、ART 加速器等單元，以輔助和加速整個芯片內部運算系統的效率。

其設計難點在于：對于STM32，從過去的L1 到L0、L4、L5，① ST 有最新的工藝，從過去的110 nm到90 nm，直到現在的40 nm 工藝，可能工藝本身也會帶來動態功耗的節約；然而，靜態功耗卻是相反的，這是兩個相悖的數據。②外設方面也做了更精確的設計，這是系統性的問題。

可以看到，U5 的系統復雜性比以往更高，要保持同樣的主頻上，功耗要更低其實是很難的挑戰。

3   為何功耗更低？

節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電小技巧。

1）休眠模式下仍可工作

針對低功耗，STM32U5 有一個特殊的功能：低功耗后臺的自主模式。即當芯片進入低功耗模式時，CPU是需要斷電的，但產品外面可能還會搭載很多的傳感器。這些傳感器的數據可能會實時地輸入到主控芯片這一側。通常情況下，該傳感器的數據傳輸是需要系統或CPU 來進行數據處理，但U5 設置了一個獨特的外設，可以將很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC 等外設上的數據，在不喚醒CPU 的情況下，搬運至MCU 內部一塊SRAM4，約有16kB 的空間。當這些數據累計到一定數量時，再喚醒Cortex-M33 內核進行一次性的批處理。

這里帶來的體驗是：不需要頻繁地喚醒CPU，只使能外設，其功耗是非常低的。因為從外部的傳感器獲取數據，避免了中間頻繁的喚醒。ST 做了大概的測試，類似于經典數據采集以及喚醒處理的模型，大約可將CPU喚醒的次數降為原來的休1/10。

在芯片內部功耗管理下面，有更多靈活的功耗模式可供客戶選擇。其中一個經典的應用場景是Stop 模式，同時保存部分SRAM 或全部SRAM 中的數據。這樣的狀態下，功耗是個位數的μA 級。

2）U5 芯片上更多省電的小技巧

可以通過內置的SMPS 降低CPU 的內核供電電壓。

在不同功耗模式下切換，也可以達到μs 級的切換速度。

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，這樣用戶可以根據自己實際應用情況來進一步避免不必要的能量損失。值得一提的是，內部的Flash 是雙bank 設計的，可將不常用的bank 在低功耗模式下斷電，這樣功耗可以節省40 μA 左右。但是當指令跳轉到被斷電的Flash Bank 上時，系統是可以自動喚醒的，只需要等待5μs 的延時。或者可以把內部的Flash 通過損失一些讀取速度的方式去讓它進入一種低功耗的模式，大概可以減少系統先進45且μ靈A活的的能低耗功。

4   小結

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

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期）