MCU的高集成度與低功耗設計權衡

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，人們力求在各個環節盡可能地減少靜態和動態的電源消耗。傳統的控制電壓的調節方式和管理待機模式依然被多數電子設備正在采用，還將繼續延續下去，但是隨著包括移動終端、無線傳感網絡裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計和體能監測儀等手持醫療設備等 這些對電量消耗極大和永遠在線的設備市場規模的迅速增加，解決電源管理已經成為整個電子設計正在面臨的重要課題， 市場對綠色產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，各種新產品應運而出。

Silicon Lab 是一家以提供 8051 核 MCU 為主的公司，最近發表的單電池供電的 80C51 MCU——8051F9XX，最低電壓可到 0.9V，其超低電壓供電是業界少見的。該芯片內置了DC/DC 電壓轉換器和 LDO 轉換器，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 公司發布的行業第一款超低功耗 ARM7TDMI 閃存 MCU - AT91SAM7L，它在關機模式只消耗 100nA 電流，這得益于 該系列產品嵌入了控制多個功率島的功率開關，以及可編程的電壓調節器，用于降低工作和待機模式下的功耗。AT91SAM7L 系列產品針對工作和待機模式吸收了嵌入式 CPU 的動態電源管理技術，采用 MCU 領域里創新的降低功耗方式。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 完成數據傳輸，可以優化功耗。 SAM7L 采用單電壓 1.8V 模式工作，在閃存中執行代碼時，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(包括功率開關和可調電壓調節器)，可以看到先進的電源管理技術使得AT91SAM7L 具有良好的節能效果，再配合系統的優化，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低功耗的芯片，繼續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，已經非常接近 8 位 MCU8051F9XX 的數量級。這對于工業測量裝置滿足實時性要求是非常重要的。一個優秀的快速喚醒技術可以讓降低功耗和保持實時性達到統一。

開發工具的融合

伴隨電子產品復雜度增加， MCU 程序代碼量日益增加，雖然 C 語言已經是 MCU 逐鹿的開發語言，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。一種方案是繼續沿用老的 MCU 或者升級換代的兼容產品，這樣工具就可以繼續延用了，另外就是采用統一的開發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 開發工具，發表了新的針對 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, 讓過去許多已經熟悉了 Keil 51 的用戶，能夠在工具方面沒有障礙地轉移到 ARM 結構 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，這樣的工具融合現象說明了MCU 廠家已經意識到一致性工具對用戶的重要性。

結語

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