可延長(zhǎng)電池壽命的新一代節(jié)能微控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

　　一旦MCU被喚醒并執(zhí)行應(yīng)用代碼，M3內(nèi)核使用Thumb2指令集也有助于減少“活躍時(shí)間”。利用這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能，Thumb2ISA的效率非常高。

　　在減少電流×微秒(current-times-MICROseconds)產(chǎn)品時(shí)，MCU設(shè)計(jì)工程師需要部署更多策略。其中一個(gè)是不僅減少內(nèi)核在實(shí)際處理應(yīng)用代碼時(shí)所花的時(shí)間，而且還要縮短喚醒刺激之間的創(chuàng)建(ramp-up)時(shí)間(無(wú)論是定時(shí)生成或事件驅(qū)動(dòng))，并且CPU正在準(zhǔn)備做“真正的工作”。一種途徑是最大限度地減少與內(nèi)核時(shí)鐘信號(hào)供應(yīng)相關(guān)的啟動(dòng)時(shí)間。眾所周知，當(dāng)一個(gè)晶體振蕩器從關(guān)閉狀態(tài)中啟動(dòng)時(shí)，在作為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘使用之前，它需要一些時(shí)間來(lái)穩(wěn)定其輸出。相反，一個(gè)RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務(wù)的時(shí)基可能不夠準(zhǔn)確，但它會(huì)在開機(jī)后的幾乎一瞬間產(chǎn)生有規(guī)則的輸出。部分解決方案是縮短同時(shí)提供信號(hào)的時(shí)間。CPU在開機(jī)上電的同時(shí)就開始運(yùn)行，由RC振蕩器進(jìn)行計(jì)時(shí)，而小型控制電路一旦穩(wěn)定下來(lái)就將時(shí)鐘源傳到一個(gè)晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度不夠都不重要，因?yàn)槭褂盟闹芷谙鄬?duì)較短。

　　簡(jiǎn)單任務(wù)無(wú)需MCU內(nèi)核

　　盡管設(shè)計(jì)工程師非常小心地為一個(gè)高性能處理內(nèi)核提供電源，并且在盡可能短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了這個(gè)目標(biāo)，但芯片設(shè)計(jì)師或系統(tǒng)設(shè)計(jì)師有必要問(wèn)問(wèn)給定任務(wù)是否需要這樣的內(nèi)核，即如果喚醒它只是執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)的話，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會(huì)浪費(fèi)電池的電荷。我們?cè)儆铆h(huán)境傳感器的應(yīng)用作個(gè)例子，它可能需要定期測(cè)量，但只需在不頻繁的時(shí)間間隔內(nèi)將測(cè)量結(jié)果報(bào)告到中央數(shù)據(jù)記錄器中。運(yùn)行通信接口的軟件堆棧一定會(huì)要求喚醒MCU內(nèi)核，但這會(huì)更頻繁地打開模數(shù)轉(zhuǎn)換器，指揮A/D轉(zhuǎn)換，并以低功耗內(nèi)存積累結(jié)果。如果只要求外圍設(shè)備設(shè)置在互連矩陣(圖4)控制下自主運(yùn)行的話，消耗的功率會(huì)更少。由于應(yīng)用的差別很大，能夠靈活地選擇哪些功能模塊來(lái)供電以及它們?nèi)绾瓮ㄐ艑?duì)充分利用這一概念非常重要。

　　圖4：使用一個(gè)互連矩陣或“外圍設(shè)備反射系統(tǒng)”可以執(zhí)行簡(jiǎn)單的任務(wù)。

　　在電源預(yù)算中加密

　　眾所周知，在現(xiàn)代CMOS半導(dǎo)體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區(qū)成本相對(duì)較低。這產(chǎn)生了與直覺(jué)略微不一致的結(jié)果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控?cái)?shù)。利用先進(jìn)的時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)、時(shí)鐘門控和片上電源開關(guān)等技術(shù)，IC設(shè)計(jì)工程師可以隨時(shí)輕松地完全關(guān)斷不需要的功能。這種方法的一個(gè)突出功能就是加密。即使是看似平常的數(shù)據(jù)現(xiàn)在也通過(guò)例行的加密來(lái)保證安全，通常采用被稱為AES的算法。這對(duì)一個(gè)32位MCU內(nèi)核而言不是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但它確實(shí)占用了大量的處理器周期，延長(zhǎng)了總的微安×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。這些周期中的大多數(shù)花在了執(zhí)行算法中的一些內(nèi)部循環(huán)計(jì)算上，增加一個(gè)AES加速器硬件模塊可使MCU停止AES算法，轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ糜布琈CU繼續(xù)進(jìn)行其他處理，并以更少的周期得到加密(或解密)結(jié)果。

　　迅速擴(kuò)展的能源敏感應(yīng)用類別(由少數(shù)高端類別如智能電能計(jì)量領(lǐng)導(dǎo))重新定義了用電池驅(qū)動(dòng)一個(gè)產(chǎn)品的意義。這些產(chǎn)品必須在單電池的驅(qū)動(dòng)下提供服務(wù)，這一時(shí)間與電池本身的有效期一致，并與電池制造商規(guī)定的最大時(shí)間間隔(長(zhǎng)達(dá)甚至超過(guò)20年)一致。只有一個(gè)高度集成的單芯片微控制器能為這樣的設(shè)計(jì)提供一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解決辦法。

　　IC設(shè)計(jì)工程師十分注重低功耗芯片設(shè)計(jì)的每個(gè)方面，這樣的IC架構(gòu)現(xiàn)在可以提供現(xiàn)代、功能強(qiáng)大的32位處理器內(nèi)核給產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師，同時(shí)盡可能地降低了功率要求。