從硅芯片到軟件 設計低能耗嵌入式系統

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第一部分硅芯片選擇

簡介

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

低能耗待

機狀態使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�，對于處理工藝、IC架構和軟件結構選擇的權衡是十分微妙的決定因素，有時會出現意想不到的結果。此外，單片機上功能模塊相結合的方式對整體能耗加以動態影響。即使對硬件實現看似小而輕微的改變，都可能會導致系統運行周期中整體能耗的大幅波動。

低能耗應用

舉幾個應用示例。測量和報警系統通常由單電池供電，并具有約10年的生命周期。在傳感器讀取操作上(在產品生命周期中可能發生幾億次)，小小的電流消耗增長就可能會導致產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低的。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：校準和準備過程，單片機喚醒模數轉換器(ADC)和其他感應模擬器件，并等待其達到穩定狀態點的時間。在這種情況下，工作周期可能導致設計中的非活動狀態時間大約占總時間的99.98%。

傳統的煙霧報警器比較簡單。我們來看一個更復雜的RF設計，此設計中，數據結果通過傳感器網狀網絡傳輸到主機應用中。傳感器需要監聽主節點的工作狀態，由此他可以發信號表明自己仍然在網狀網絡中，或者為路由器提供當前所捕獲信息。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(可通過使用更先進的架構和半導體技術實現)，與運行更多周期的慢速裝置相比，快速裝置具備更高能效。

設計關鍵在于理解工藝技術、MCU架構和軟件實現之間的相互作用。

第一部分：硅芯片選擇

CMOS能耗分布

幾乎所有的MCU都通過CMOS技術實現。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，電壓和電容是生產工藝技術相關的因子。在過去的三十年中，CMOS邏輯的片上操作電壓已經從12V下降到2V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，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來說，更先進的生產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，還有一種先進的設計技術可以降低整體開關頻率，這種技術被稱為時鐘門控。

與其他技術相比，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，在所有低能耗應用中都要加以考慮，因為他與低占空比系統的非工作時間成正比。然而，和工作模式功耗一樣，電路設計對真實漏電損耗產生動態影響。類似時鐘門控，功率門控也能夠大大減輕漏電損耗的影響，采用更多先進工藝的節點是低占空比系統的更好選擇，即使是舊的工藝技術也可以獲得更低的理論漏電損耗量。

適用的生產工藝技術

每一個特性集都有合適的生產工藝技術。關鍵在于，當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工藝技術是不夠的。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和高效的晶體管所帶來的優勢進行彌補。

舉例來說，與專用低功耗180nm生產工藝的漏電損耗相比，90nm生產工藝所產生的漏電損耗高五倍，但工作模式功耗低4倍，這是基于一個相當大的數值來計算。假設一個180nm工藝的單片機，其具有40mA工作電流消耗和60nA休眠模式功耗，與采用90nm工藝實現的功耗級別相比，90nm工藝單片工作電流功耗可降低到10mA，但是休眠模式電流卻達到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。由此可以發現，當選擇一種生產工藝時，了解應用占空比是十分重要的。(參見圖2。)

一旦適當的工藝技術被選中，IC設計者具有進一步優化能效的選項。當時鐘門控的概念首次推出時，僅僅粗略的應用在設計中。時鐘門控技術增加了設計復雜性，因為電路設計人員要清楚特定時間內，哪一條邏輯路徑需要時鐘信號。

時鐘分配

大多數單片機實現采用分層結構，把時鐘信號和適當的電壓電平分配到IC的每個部分。各功能單元(諸如指令處理塊和外圍設備)組成不同的組。這些組通過分離的時鐘樹和電源網絡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，則傳送到每個外設組的電壓由一系列功率晶體管和電壓調節器控制，現在這種做法越來越普及。

為了最大程度降低設計的復雜性，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，整個時鐘樹就關閉;此種情況下，仍然允許處于工作狀態的組中，為沒有執行工作的邏輯提供時鐘信號。例如CPU內核中的加法器單元可以接收時鐘信號，即使當前是一條分支指令。加法器單元中由時鐘信

號觸發的開關增加了功耗，這是通過之前所述的CV2f公式中的一個因子引起的。設計工具和技術的改進為人們帶來好處：在運行周期中，當不需要時鐘信號的外圍設備或功能單元不執行操作時，可以增加時鐘門控的控制精度。

電壓縮放可進一步節省功耗，當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提供適當電壓的關鍵是使用片上電壓調節器或DC-DC變換器，并且使用監視電路確保IC操作在所需電壓上。

供電原則

片上電壓調節器為系統設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，一個片上開關降壓變換器(已經集成在Silicon Labs SiM3L1xx系列產品上)，可以把工業電池上的3.6V電壓以超過80%的轉換效率轉換成1.2V。許多MCU沒有此功能，而使用線性元件降壓到適當的電平，這造成了巨大的浪費。在先進的技術中，當電池放電到不能再執行轉換功能時，降壓型穩壓器可以關閉。因此電源可以在裝置的整個生命周期中優化能源效率，所有這些都可在軟件控制下實現。

結論

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

“從硅芯片到軟件— 設計低能耗嵌入式系統”的第二部分探討了開發人員為實現最低功耗而優化嵌入式系統時，需要考慮的軟件設計原則。