MCU的高集成度與低功耗設(shè)計(jì)權(quán)衡

低功耗設(shè)計(jì)和能耗管理

能耗管理是芯片設(shè)計(jì)、制造工藝、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件工程師都在為之而努力的研究課題，人們力求在各個(gè)環(huán)節(jié)盡可能地減少靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的電源消耗。傳統(tǒng)的控制電壓的調(diào)節(jié)方式和管理待機(jī)模式依然被多數(shù)電子設(shè)備正在采用，還將繼續(xù)延續(xù)下去，但是隨著包括移動(dòng)終端、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計(jì)和體能監(jiān)測(cè)儀等手持醫(yī)療設(shè)備等 這些對(duì)電量消耗極大和永遠(yuǎn)在線的設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的迅速增加，解決電源管理已經(jīng)成為整個(gè)電子設(shè)計(jì)正在面臨的重要課題， 市場(chǎng)對(duì)綠色產(chǎn)品的需求促使制造商考慮采用低功耗的待機(jī)模式，作為嵌入式系統(tǒng)靈魂部件的 MCU 近年在低功耗設(shè)計(jì)和能耗管理方面的動(dòng)作很大，各種新產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而出。

Silicon Lab 是一家以提供 8051 核 MCU 為主的公司，最近發(fā)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(yè)界少見(jiàn)的。該芯片內(nèi)置了DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器和 LDO 轉(zhuǎn)換器，可以提供恒定的 1.7V 電壓和電流，以適應(yīng)外設(shè)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(shí)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(fā)布的行業(yè)第一款超低功耗 ARM7TDMI 閃存 MCU - AT91SAM7L，它在關(guān)機(jī)模式只消耗 100nA 電流，這得益于 該系列產(chǎn)品嵌入了控制多個(gè)功率島的功率開(kāi)關(guān)，以及可編程的電壓調(diào)節(jié)器，用于降低工作和待機(jī)模式下的功耗。AT91SAM7L 系列產(chǎn)品針對(duì)工作和待機(jī)模式吸收了嵌入式 CPU 的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，采用 MCU 領(lǐng)域里創(chuàng)新的降低功耗方式。在工作模式下，能通過(guò)編程設(shè)置工作電壓和工作頻率、外設(shè)時(shí)鐘活動(dòng)，采用 DMA 來(lái)替代 CPU 完成數(shù)據(jù)傳輸，可以優(yōu)化功耗。 SAM7L 采用單電壓 1.8V 模式工作，在閃存中執(zhí)行代碼時(shí)，典型的電流消耗為 0.5mA/MHz 。不同待機(jī)模式的功耗可通過(guò)多種方式來(lái)加以控制(包括功率開(kāi)關(guān)和可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器)，可以看到先進(jìn)的電源管理技術(shù)使得AT91SAM7L 具有良好的節(jié)能效果，再配合系統(tǒng)的優(yōu)化，可以預(yù)見(jiàn)基于 AT91SAM7L 的嵌入式裝置的功耗管理可以達(dá)到相同的水平。另外，談到超低功耗 MCU 產(chǎn)品，還應(yīng)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(gè)強(qiáng)調(diào)低功耗的芯片，繼續(xù)繼承了高集成的外設(shè)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(cè)試裝置設(shè)計(jì)外，特別值得一提的是 DSC 的使用使得快速喚醒時(shí)間提高到 5us 以內(nèi)，已經(jīng)非常接近 8 位 MCU8051F9XX 的數(shù)量級(jí)。這對(duì)于工業(yè)測(cè)量裝置滿足實(shí)時(shí)性要求是非常重要的。一個(gè)優(yōu)秀的快速喚醒技術(shù)可以讓降低功耗和保持實(shí)時(shí)性達(dá)到統(tǒng)一。

開(kāi)發(fā)工具的融合

伴隨電子產(chǎn)品復(fù)雜度增加， MCU 程序代碼量日益增加，雖然 C 語(yǔ)言已經(jīng)是 MCU 逐鹿的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，但是考慮到不同的 MCU 之間的差異(例如寄存器和外設(shè)接口)、不同廠家 C 語(yǔ)言的工程文件和宏定義等方面的問(wèn)題，還有采用的 RTOS 的不同，代碼的移植和移植后的測(cè)試還有一個(gè)相當(dāng)大的工作量。一種方案是繼續(xù)沿用老的 MCU 或者升級(jí)換代的兼容產(chǎn)品，這樣工具就可以繼續(xù)延用了，另外就是采用統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)工具支持不同廠家的 MCU 。

最近一段時(shí)間的兩件事情應(yīng)該是驗(yàn)證了統(tǒng)一工具的重要性。一是; ARM 在 2007 年收購(gòu) Keil 公司后重新整合了 ARM 開(kāi)發(fā)工具，發(fā)表了新的針對(duì) MCU 市場(chǎng)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(guò)去許多已經(jīng)熟悉了 Keil 51 的用戶，能夠在工具方面沒(méi)有障礙地轉(zhuǎn)移到 ARM 結(jié)構(gòu) MCU。二是;飛思卡爾公司宣布它們的 Coldfire 支持 IAR EW(embedded workbench)工具，因?yàn)?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(xiàn)象說(shuō)明了MCU 廠家已經(jīng)意識(shí)到一致性工具對(duì)用戶的重要性。

結(jié)語(yǔ)

面向無(wú)處不在的各種各樣的嵌入式應(yīng)用，MCU 未來(lái)的發(fā)展一定是豐富多彩的，從歷史發(fā)展的軌跡看，一種芯片、一家公司和一種體系結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足變化萬(wàn)千的市場(chǎng)需求，正確把握 MCU 的發(fā)展趨勢(shì)，選擇適合你的產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)工具，是保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本和開(kāi)發(fā)周期的關(guān)鍵。同時(shí)關(guān)注 MCU 的動(dòng)態(tài)，選擇具有特色的 MCU 能夠幫助你的產(chǎn)品創(chuàng)新和差異化設(shè)計(jì)，收到與眾不同的效果。