節能MCU內核可延長電池壽命

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行簡單任務的話，即使是最節能的內核也會浪費電池的電荷。我們再用環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”可以執行簡單的任務。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行算法中的一些內部循環計算上，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。

小結

在設計電池供電產品時，人們顯然希望電池壽命盡可能長些。能源敏感的產品應用大致分為能源計量系統、家庭與樓宇自動化、安全和醫療系統(圖1)。這些產品通常會圍繞一個微控制器(MCU)，必須用單個原電池工作很長時間。在某些應用中，更換電池很困難甚至是不可能的，即使在其它普通應用中，用戶也不大愿意支付更換電池的成本。

這類應用中采用的是在極低占空比下工作的微處理器，它在“深度睡眠”狀態下的時間可能占了99%甚至更高(達到99.9%也不罕見)。微處理器在一個周期循環或在回應某些刺激時被“喚醒”來執行操作，并返回到睡眠狀態中。由于它們花了如此多時間在睡眠狀態，很明顯，獲得更長電池壽命的關鍵是在掉電狀態下的電流消耗。不過，同一節電池的使用壽命為3或4年與超過10年、延至20年甚至更長之間的區別在于，要密切注意這個任務如何使用MCU資源的各個方面，以及MCU本身是如何設計成以各種方式減少能耗的。