設(shè)計低能耗嵌入式系統(tǒng)

第一部分硅芯片選擇

簡介

設(shè)計低能耗系統(tǒng)時，我們需要關(guān)注一些非傳統(tǒng)因素，這些因素涉及范圍從硅芯片生產(chǎn)工藝技術(shù)，到基于單片機(jī)的嵌入式平臺上所運行的軟件。通過對系統(tǒng)層面的深入分析，本文討論決定MCU能效的三個關(guān)鍵參數(shù)：工作模式功耗、待機(jī)模式功耗和占空比(他決定各種狀態(tài)下所占用的時間比率，由軟件自身來決定)。

低能耗待

機(jī)狀態(tài)使MCU看上去具有超高能效，但事實是，只有考慮了控制工作模式功耗的所有因素后才能決定MCU的能效狀況?？傊瑢τ谔幚砉に?、IC架構(gòu)和軟件結(jié)

構(gòu)選擇的權(quán)衡是十分微妙的決定因素，有時會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。此外，單片機(jī)上功能模塊相結(jié)合的方式對整體能耗加以動態(tài)影響。即使對硬件實現(xiàn)看似小而輕微

的改變，都可能會導(dǎo)致系統(tǒng)運行周期中整體能耗的大幅波動。

低能耗應(yīng)用

舉幾個應(yīng)用示例。測量和報警系統(tǒng)通常由單電池供電，并具有約10年的生命周期。在傳感器讀取操作上(在產(chǎn)品生命周期中可能發(fā)生幾億次)，小小的電流消耗增

長就可能會導(dǎo)致產(chǎn)品的實際使用壽命減少幾年。而一個簡單的煙霧報警器，需每秒檢測一次空中煙霧粒子是否存在，在其生命周期中將要執(zhí)行3.15億次讀取操

作。

簡單煙霧報警器的工作比例或占空比是相當(dāng)?shù)偷?。每次傳感器讀取操作可能花費時間不超過幾百微秒，而大部分時間都消耗在其他方面，包括：校準(zhǔn)和準(zhǔn)備過程，單

片機(jī)喚醒模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和其他感應(yīng)模擬器件，并等待其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)點的時間。在這種情況下，工作周期可能導(dǎo)致設(shè)計中的非活動狀態(tài)時間大約占總時間的

99.98%。

傳統(tǒng)的煙霧報警器比較簡單。我們來看一個更復(fù)雜的RF設(shè)計，此設(shè)計中，數(shù)據(jù)結(jié)果通過傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鳈C(jī)應(yīng)用中。傳感器需要監(jiān)聽主節(jié)點的工作狀態(tài)，由

此他可以發(fā)信號表明自己仍然在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，或者為路由器提供當(dāng)前所捕獲信息。額外的工作不一定會影響整個占空比，相反，在活動周期中，使用更高性能的裝置

還可以執(zhí)行更多功能，因為高性能裝置提高了處理速度(可通過使用更先進(jìn)的架構(gòu)和半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn))，與運行更多周期的慢速裝置相比，快速裝置具備更高能效。

設(shè)計關(guān)鍵在于理解工藝技術(shù)、MCU架構(gòu)和軟件實現(xiàn)之間的相互作用。

第一部分：硅芯片選擇

CMOS能耗分布

幾乎所有的MCU都通過CMOS技術(shù)實現(xiàn)。任何工作邏輯電路的功耗可由公式CV2f決定，其中：C代表裝置中開關(guān)電路路徑上的總電容，V代表供電電壓，f

代表操作頻率。參見圖1，電壓和電容是生產(chǎn)工藝技術(shù)相關(guān)的因子。在過去的三十年中，CMOS邏輯的片上操作電壓已經(jīng)從12V下降到2

V以下，同時晶體管體積也大大縮小。因為電壓在工作功耗方程式中是二次函數(shù)，因此使用較低電壓將對功耗帶來顯著的影響。

電容作為可使總功耗降低的一項因子，雖然是線性，也大大受益于摩爾定律。對于給定的邏輯函數(shù)來說，更先進(jìn)的生產(chǎn)工藝可提供比之前更小體積的電容，并且可獲得更低的功耗。此外，還有一種先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)可以降低整體開關(guān)頻率，這種技術(shù)被稱為時鐘門控。

與其他技術(shù)相比，CMOS可以極大降低能源浪費，但同時存在漏電損耗。與工作模式功耗相比，漏電損耗以摩爾定律速率來增加，在所有低能耗應(yīng)用中都要加以考

慮，因為他與低占空比系統(tǒng)的非工作時間成正比。然而，和工作模式功耗一樣，電路設(shè)計對真實漏電損耗產(chǎn)生動態(tài)影響。類似時鐘門控，功率門控也能夠大大減輕漏

電損耗的影響，采用更多先進(jìn)工藝的節(jié)點是低占空比系統(tǒng)的更好選擇，即使是舊的工藝技術(shù)也可以獲得更低的理論漏電損耗量。

適用的生產(chǎn)工藝技術(shù)

每一個特性集都有合適的生產(chǎn)工藝技術(shù)。關(guān)鍵在于，當(dāng)裝置長時間處于休眠模式時，僅僅依賴一種具有最低理論漏電損耗的生產(chǎn)工藝技術(shù)是不夠的。在休眠模式，可

以禁止為MCU中大部分部件供電，把漏電組件排除在方程式之外。當(dāng)電路處于工作模式，漏電損耗是一個大問題，簡單的方法是利用更先進(jìn)和高效的晶體管所帶來

的優(yōu)勢進(jìn)行彌補。

舉例來說，與專用低功耗180nm生產(chǎn)工藝的漏電損耗相比，90nm生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的漏電損耗高五倍，但工作模式功耗低4倍，這是基于一個相當(dāng)大的數(shù)值來

計算。假設(shè)一個180nm工藝的單片機(jī)，其具有40mA工作電流消耗和60nA休眠模式功耗，與采用90nm工藝實現(xiàn)的功耗級別相比，90nm工藝單片機(jī)

工作電流功耗可降低到10mA，但是休眠模式電流卻達(dá)到300nA。

在上面的例子中，對于90nm工藝MCU來說，為了獲得更好的整體功效必須有0.0008%的活動時間。換句話講，如果系統(tǒng)每天有1秒鐘活動時

間，90nm版本的功效大約是180nm版本的1.5倍。由此可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選擇一種生產(chǎn)工藝時，了解應(yīng)用占空比是十分重要的。(參見圖2。)

一旦適當(dāng)?shù)墓に嚰夹g(shù)被選中，IC設(shè)計者具有進(jìn)一步優(yōu)化能效的選項。當(dāng)時鐘門控的概念首次推出時，僅僅粗略的應(yīng)用在設(shè)計中。時鐘門控技術(shù)增加了設(shè)計復(fù)雜性，因為電路設(shè)計人員要清楚特定時間內(nèi)，哪一條邏輯路徑需要時鐘信號。

時鐘分配

大多數(shù)單片機(jī)實現(xiàn)采用分層結(jié)構(gòu)，把時鐘信號和適當(dāng)?shù)碾妷弘娖椒峙涞絀C的每個部分。各功能單元(諸如指令處理塊和外圍設(shè)備)組成不同的組。這些組通過分離

的時鐘樹和電源網(wǎng)絡(luò)提供時鐘信號和電源。每個組中的時鐘信號來自于一個公共時鐘源，然后分頻或倍乘。如果不同組需要不同的電壓，則傳送到每個外設(shè)組的電壓

由一系列功率晶體管和電壓調(diào)節(jié)器控制，現(xiàn)在這種做法越來越普及。

為了最大程度降低設(shè)計的復(fù)雜性，MCU使用相對簡單的時鐘門控策略，只要功能組中沒有任何功能單元處于工作狀態(tài)，整個時鐘樹就關(guān)閉;此種情況下，仍然允許

處于工作狀態(tài)的組中，為沒有執(zhí)行工作的邏輯提供時鐘信號。例如CPU內(nèi)核中的加法器單元可以接收時鐘信號，即使當(dāng)前是一條分支指令。加法器單元中由時鐘信

號觸發(fā)的開關(guān)增加了功耗，這是通過之前所述的CV2f公式中的一個因子引起的。

設(shè)計工具和技術(shù)的改進(jìn)為人們帶來好處：在運行周期中，當(dāng)不需要時鐘信號的外圍設(shè)備或功能單元不執(zhí)行操作時，可以增加時鐘門控的控制精度。

電壓縮放可進(jìn)一步節(jié)省功耗，當(dāng)需要時他可為特定功能單元組提供更低的電壓。為一組功能單元或外設(shè)提供適當(dāng)電壓的關(guān)鍵是使用片上電壓調(diào)節(jié)器或DC-DC變換器，并且使用監(jiān)視電路確保IC操作在所需電壓上。

供電原則

片上電壓調(diào)節(jié)器為系統(tǒng)設(shè)計者提供更高的靈活性，可以從電池中獲得更多的電荷。例如，一個片上開關(guān)降壓變換器(已經(jīng)集成在Silicon Labs SiM3L1xx

系列產(chǎn)品上)，可以把工業(yè)電池上的3.6V電壓以超過80%的轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換成1.2V。許多MCU沒有此功能，而使用線性元件降壓到適當(dāng)?shù)碾娖?，這造成了

巨大的浪費。在先進(jìn)的技術(shù)中，當(dāng)電池放電到不能再執(zhí)行轉(zhuǎn)換功能時，降壓型穩(wěn)壓器可以關(guān)閉。因此電源可以在裝置的整個生命周期中優(yōu)化能源效率，所有這些都可

在軟件控制下實現(xiàn)。

結(jié)論

低能耗系統(tǒng)設(shè)計是一個整體的設(shè)計過程，需要選擇合適的硅芯片、軟件和開發(fā)工具。通過掌握這些變量因素之間的關(guān)系，系統(tǒng)工程師可以開發(fā)出更高性能和高能效的嵌入式系統(tǒng)，突破電池供電型應(yīng)用的諸多限制。

“從硅芯片到軟件— 設(shè)計低能耗嵌入式系統(tǒng)”的第二部分探討了開發(fā)人員為實現(xiàn)最低功耗而優(yōu)化嵌入式系統(tǒng)時，需要考慮的軟件設(shè)計原則。