節(jié)能MCU內(nèi)核可延長電池壽命

簡單任務(wù)無需MCU內(nèi)核

盡管設(shè)計工程師非常小心地為一個高性能處理內(nèi)核提供電源，并且在盡可能短的時間內(nèi)實現(xiàn)了這個目標，但芯片設(shè)計師或系統(tǒng)設(shè)計師有必要問問給定任務(wù)是否需要這樣的內(nèi)核，即如果喚醒它只是執(zhí)行簡單任務(wù)的話，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會浪費電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應(yīng)用作個例子，它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時間間隔內(nèi)將測量結(jié)果報告到中央數(shù)據(jù)記錄器中。運行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內(nèi)核，但這會更頻繁地打開模數(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)控制下自主運行的話，消耗的功率會更少。由于應(yīng)用的差別很大，能夠靈活地選擇哪些功能模塊來供電以及它們?nèi)绾瓮ㄐ艑Τ浞掷眠@一概念非常重要。

圖4：使用一個互連矩陣或“外圍設(shè)備反射系統(tǒng)”可以執(zhí)行簡單的任務(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)成本相對較低。這產(chǎn)生了與直覺略微不一致的結(jié)果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門控數(shù)。利用先進的時鐘樹設(shè)計、時鐘門控和片上電源開關(guān)等技術(shù)，IC設(shè)計工程師可以隨時輕松地完全關(guān)斷不需要的功能。這種方法的一個突出功能就是加密。即使是看似平常的數(shù)據(jù)現(xiàn)在也通過例行的加密來保證安全，通常采用被稱為AES的算法。這對一個32位MCU內(nèi)核而言不是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但它確實占用了大量的處理器周期，延長了總的微安×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)計算上，增加一個AES加速器硬件模塊可使MCU停止AES算法，轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ糜布?，MCU繼續(xù)進行其他處理，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量領(lǐng)導(dǎo))重新定義了用電池驅(qū)動一個產(chǎn)品的意義。這些產(chǎn)品必須在單電池的驅(qū)動下提供服務(wù)，這一時間與電池本身的有效期一致，并與電池制造商規(guī)定的最大時間間隔(長達甚至超過20年)一致。只有一個高度集成的單芯片微控制器能為這樣的設(shè)計提供一個現(xiàn)實的解決辦法。

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

小結(jié)

在設(shè)計電池供電產(chǎn)品時，人們顯然希望電池壽命盡可能長些。能源敏感的產(chǎn)品應(yīng)用大致分為能源計量系統(tǒng)、家庭與樓宇自動化、安全和醫(yī)療系統(tǒng)(圖1)。這些產(chǎn)品通常會圍繞一個微控制器(MCU)，必須用單個原電池工作很長時間。在某些應(yīng)用中，更換電池很困難甚至是不可能的，即使在其它普通應(yīng)用中，用戶也不大愿意支付更換電池的成本。

這類應(yīng)用中采用的是在極低占空比下工作的微處理器，它在“深度睡眠”狀態(tài)下的時間可能占了99%甚至更高(達到99.9%也不罕見)。微處理器在一個周期循環(huán)或在回應(yīng)某些刺激時被“喚醒”來執(zhí)行操作，并返回到睡眠狀態(tài)中。由于它們花了如此多時間在睡眠狀態(tài)，很明顯，獲得更長電池壽命的關(guān)鍵是在掉電狀態(tài)下的電流消耗。不過，同一節(jié)電池的使用壽命為3或4年與超過10年、延至20年甚至更長之間的區(qū)別在于，要密切注意這個任務(wù)如何使用MCU資源的各個方面，以及MCU本身是如何設(shè)計成以各種方式減少能耗的。