使用高能效微控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)

電子設(shè)備中嵌入式微型控制器的使用不斷增加，加上世界能源危機(jī)，將迫使電子工程師關(guān)注這些設(shè)備中目前被忽略的節(jié)能特征。

歷史透視
早在1976年就推出了新計(jì)算機(jī)Cray 1。當(dāng)時(shí)它具有在80MHz時(shí)鐘頻率條件下達(dá)到160MIPs的處理能力，為其贏得“超級(jí)計(jì)算機(jī)”的稱號(hào)。計(jì)算能力并非其唯一的破紀(jì)錄功能：Cray 1需要115kW的電源，包裝盒不大于一個(gè)英國(guó)電話亭。為防止其融化，需要在整個(gè)結(jié)構(gòu)中整合一個(gè)大功率氟利昂制冷設(shè)備。以現(xiàn)今的技術(shù)相比，Parallax Propeller控制器是32 位總線機(jī)器，Cray則是64位，但它也在80MHz時(shí)鐘頻率條件下管理160MIPs。除外形尺寸外的顯著區(qū)別是實(shí)現(xiàn)該性能所需的功率。Propeller的平均功耗為1W，而很多新設(shè)備甚至擁有更好的性能。我現(xiàn)在打字使用的 64 位雙核 IntelAtom PC的功耗如此之小，以至于它所連接的電流傳感器電源插座擴(kuò)展器并未感應(yīng)到它已開(kāi)啟。

VLSI的出現(xiàn)必然為計(jì)算機(jī)帶來(lái)更好的處理能力與電源比。早期的NMOS芯片讓路與更低功率需求的CMOS。CMOS的一個(gè)特征是僅在邏輯設(shè)備更改狀態(tài)時(shí)才獲取大量電流。這意味著時(shí)鐘越快，給定微控制器的平均電流消耗就越高。因此，特定MCU將具有兩個(gè)影響功率預(yù)算的因素：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。

靜態(tài)電壓降低
即使在時(shí)鐘關(guān)閉的情況下，設(shè)備仍可通過(guò)漏洞消耗能量。在較新的設(shè)備中，單電路元件較緊密地封裝在一起，可減少絕緣電阻并需要降低電源電壓。以+1.8V的電壓運(yùn)行邏輯現(xiàn)在很常見(jiàn)，某些電壓甚至低至+0.9V。例如，Microchip的nanoWatt XLPP系列PIC微控制器可在+2.5到+5.5V的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，最大時(shí)鐘頻率為32MHz。如果您能設(shè)法應(yīng)付16MHz，則電源電壓可降至+1.8V（假設(shè)外圍設(shè)備也可在此低電壓條件下工作）。這使與電壓和頻率相關(guān)的功耗都得到降低。

靜態(tài)頻率降低
如果沒(méi)有特殊的省電模式可用，則要考慮使用盡可能與在可用時(shí)間內(nèi)完成既定任務(wù)兼容的最低時(shí)鐘速度。有些事情就像電視遙控器一樣簡(jiǎn)單，例如通常使用32kHz的“鐘表”晶體頻率。

動(dòng)態(tài)電壓擴(kuò)展
在更復(fù)雜的情況下，由于處理負(fù)載不盡相同，以及“萬(wàn)一”需要保持高速操作，這些固定的或靜態(tài)的解決方案可能不適用。在這些情況下，可以使用一種稱為動(dòng)態(tài)電壓擴(kuò)展(DVS)的技術(shù)，該技術(shù)使用軟件分析處理器需求并使時(shí)鐘速度和電源電壓相應(yīng)地進(jìn)行變化。但節(jié)能計(jì)算非常復(fù)雜，必須考慮內(nèi)存使用等諸多因素。

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