反映全球低功耗趨勢，微控制器制造商正面臨越來越大的壓力，以降低其 MCU 的功耗；當(dāng)前的“沙中線”為 100 μA/MHz。

　　但為什么這對原始設(shè)備制造商來說變得如此重要，更重要的是，這在實踐中的可實現(xiàn)性如何？IDM 為實現(xiàn)超低功耗運行做了哪些工作？選擇具有低功耗特性的設(shè)備只是故事的一部分。同樣重要的是如何實現(xiàn)和構(gòu)建 MCU 的 CPU 以提供超低功耗操作。

　　本文將著眼于這一趨勢，考察德州儀器（ MSP430FR5720 ）、飛思卡爾（ MKL15Z128VLK4-ND、MKL2??5Z128VLH4-ND ）、NXP （ LPC1100L ）、Energy Micro （ Gecko ）、Atmel （ UC3 L 系列） 和Silicon Labs （ SiM3Lxx ），并查看現(xiàn)有解決方案，這些解決方案可能同樣能夠通過良好的設(shè)計實現(xiàn)超低功耗運行技巧。

　　迄今為止，OEM 從 8 位微控制器到 32 位微控制器的遷移路徑主要基于中長期觀點，即假設(shè)應(yīng)用程序只會變得越來越復(fù)雜，因此在某些時候需要采用更強大的架構(gòu)。

　　這個論點通常被簡化為“軟件級別的復(fù)雜性不斷提高”，其中大部分是有根據(jù)的；近年來取得的許多效率提升主要是通過工業(yè)控制應(yīng)用中使用的更復(fù)雜的算法實現(xiàn)的。此外，OEM 現(xiàn)在需要更高級別的連接，這通常需要復(fù)雜的協(xié)議。很少有人會爭辯說，功能更強大的微控制器 （MCU） 能夠輕松集成這種復(fù)雜性和連接性，無需額外的分立器件即可提供顯著優(yōu)勢。

　　曾經(jīng)屬于微處理器領(lǐng)域的現(xiàn)代 32 位架構(gòu)現(xiàn)在支持一系列功能強大且功能強大的 MCU，其特點是在 MCU 中部署 ARM? 的 Cortex?-M 系列內(nèi)核，現(xiàn)在成本低至 0.50 美元/每個在生產(chǎn)量。然而，自問世以來，32 位 MCU 就面臨著整個行業(yè)的強烈抵制。通過 32 位產(chǎn)品的發(fā)展和改進，阻力已被系統(tǒng)地削弱。32 位設(shè)備在很多方面都比 8 位設(shè)備做得更好。

　　然而，最新的，也許是最長的爭論點是功耗。誠然，您不會白白得到任何東西，并且某些應(yīng)用程序能夠接受系統(tǒng)功率的整體增加，如果它能夠?qū)崿F(xiàn)客戶價值的整體和相應(yīng)的增加，這反過來可以提供競爭優(yōu)勢或提高利潤率。然而，一些應(yīng)用程序——尤其是那些由低端 MCU 服務(wù)的應(yīng)用程序——無法接受增加的系統(tǒng)功率，設(shè)備制造商正是在這里集中精力進行改進。

　　最新的攻擊角度是強調(diào)有功功率，即 MCU 實際執(zhí)行某些操作時消耗的系統(tǒng)功率量。有功功率是 32 位 MCU 的“房間里的大象”，因為它們通常以比 8 位設(shè)備更高的頻率運行，主要是因為它們的 RISC 指令周期比 8 位“獲取-執(zhí)行”方法更復(fù)雜。

　　因此，工程師們開始看到聲稱提供低于 100 μA/MHz 有功功耗的 32 位器件。雖然這無疑可以節(jié)省整體系統(tǒng)功耗，但它仍然是一個相對術(shù)語。許多 32 位設(shè)備的運行頻率約為 80 MHz，使有功功率高達 8 mA，并將其帶回到舊 8 位設(shè)備的范圍內(nèi)。那么設(shè)備制造商還使用哪些其他方法來最小化 32 位設(shè)備的功耗呢？

　　核心優(yōu)勢

　　當(dāng)使用像 ARM 的 Cortex-M 系列這樣的商品化 IP 時，很難在內(nèi)核級別進行區(qū)分。然而，并非所有設(shè)備制造商都針對其超低功耗產(chǎn)品在此架構(gòu)上進行了標(biāo)準(zhǔn)化。德州儀器 （TI） 繼續(xù)推廣其 16 位系列 MSP430 的優(yōu)勢，該系列現(xiàn)在具有超低功耗版本，代號為 Wolverine （MSP430FR57xx）。

　　該系列的獨特之處在于它用傳統(tǒng)的嵌入式閃存替代了不太傳統(tǒng)的 FRAM（鐵電 RAM）。TI 聲稱，與基于 32 位閃存的器件相比，這顯著降低了系統(tǒng)功耗，使其有功功耗低于“100 μA/MHz”行業(yè)基準(zhǔn)。例如，MSP430FR5720記錄為提供 81.4 μA/MHz 的典型功耗。

　　在 ARM 陣營中，飛思卡爾和 NXP 現(xiàn)在都提供基于最新 Cortex-M0+ 超低功耗內(nèi)核的設(shè)備，這兩款產(chǎn)品都聲稱達到了低于 100 μA/MHz 的功率點。兩者都已經(jīng)在市場上提供低功率產(chǎn)品。

　　飛思卡爾憑借其 Kinetis L 系列率先將其 Cortex-M0+ 部件（由于是 ARM 新架構(gòu)的主要設(shè)計合作伙伴）推向市場。Digi-Key 提供一系列 Kinetis L 設(shè)備，包括MKL15Z128VLK4-ND和MKL25Z128VLH4-ND. 飛思卡爾 Kinetis L 系列中的所有器件都具有運行頻率高達 48 MHz 的 Cortex-M0+ 內(nèi)核，該內(nèi)核集成了一系列時鐘模式，可在軟件控制下將開關(guān)活動限制在內(nèi)核的不同部分。正確理解和使用這些時鐘模式可以顯著降低器件消耗的有功功率。

　　恩智浦最近發(fā)布了其 Cortex-M0+ 系列，已經(jīng)提供了一系列基于現(xiàn)有 Cortex-M0 內(nèi)核的 MCU，包括LPC1100L系列。盡管該系列采用較舊版本的內(nèi)核，但它仍然提供 ARM 固有的以功耗為中心的低功耗處理方法，并集成了一系列功能以最大限度地降低有功功耗。

　　例如，LPC1100L 集成了許多預(yù)配置但靈活的“電源配置文件”，可以修改和控制設(shè)備的時鐘域。它們以駐留在設(shè)備 ROM 中的軟件例程的形式呈現(xiàn)，這意味著配置文件可以通過應(yīng)用程序代碼中的簡單 API 調(diào)用來啟動。它們旨在提供 CPU 性能、CPU 效率和有源電流的最佳組合，在整個電源電壓范圍（1.8 V 至 3.6 V）內(nèi)提供最大工作頻率。API 的重點是降低有功電流，同時保持 CPU 性能提高，NXP 聲稱基準(zhǔn)測試顯示，通過使用電源配置文件，功耗降低了 30%。

　　NXP 的低功耗 LPC1100L 系列基于較舊的 Cortex-M0 內(nèi)核，集成了一些出色的低功耗技術(shù)。

　　然而，正如接下來將要展示的，除了優(yōu)化的內(nèi)核之外，設(shè)備制造商還可以采用許多其他技術(shù)來降低有功功率。

　　外設(shè)視覺

　　雖然原始處理能力在 MCU 應(yīng)用中變得越來越重要，但任何微控制器的關(guān)鍵屬性仍然是其外設(shè)集。在傳統(tǒng)架構(gòu)中，內(nèi)核及其外圍設(shè)備以“握手”方式協(xié)同工作，其中數(shù)據(jù)從外圍設(shè)備傳遞到內(nèi)核，然后通過外圍設(shè)備返回到更大的系統(tǒng)。

　　盡管這種方法在響應(yīng)時間和吞吐量方面無疑是有效的——并且完美地描述了 MCU 的初衷——但它反映了典型應(yīng)用要求不高且工程師開發(fā)節(jié)能解決方案的壓力較小的時代?，F(xiàn)代 32 位 MCU 現(xiàn)在針對要求更高的應(yīng)用，同時努力保持“低功耗”，這個術(shù)語越來越被過度使用和不合理。然而，大多數(shù)制造商都明白，如果 MCU 系列不完全滿足低功耗操作的需求并提供創(chuàng)新技術(shù)來實現(xiàn)它，超出內(nèi)核，他們不太可能獲得設(shè)計勝利。一個越來越流行的解決方案是減少核心做任何事情的需要，前提是核心可以保持不活動的時間越長，較低的整體功耗將保持不變。該理論正在通過能夠自主運行的外圍設(shè)備實現(xiàn)。

　　隨著此功能的發(fā)展，制造商已對其進行了擴展，以允許外圍設(shè)備在內(nèi)核保持深度睡眠模式時相互交互，甚至可以通過標(biāo)志和寄存器修改自己的行為。

　　該領(lǐng)域的先驅(qū)是 Atmel 及其 picoPower 技術(shù)。Atmel 實施 picoPower 的第一個 32 位系列是UC3 L 系列，它基于其專有的 AVR 內(nèi)核。它使用 DMA（直接內(nèi)存訪問）控制器，允許外設(shè)通過專用且確定性的背板相互傳遞數(shù)據(jù)，使其適用于實時應(yīng)用程序，但無需使用內(nèi)核。

　　另一家實施自主外圍設(shè)備的制造商是 Silicon Labs，他們開發(fā)了SiM3Lxx基于超低功耗 ARM Cortex-M3 的系列，將這一概念更進一步，引入了數(shù)據(jù)傳輸管理器 （DTM） — 允許在多個階段配置和控制多個外設(shè)，而無需任何 CPU 干預(yù)。DTM 使用狀態(tài)驅(qū)動配置增強了標(biāo)準(zhǔn) DMA 的更基本功能。

　　Silicon Labs 的 Precision32 系列是該公司的第一款 ARM Cortex-M 產(chǎn)品，具有自主外圍設(shè)備。

　　睡眠行走

　　自主外設(shè)的主要目標(biāo)是讓 MCU 的內(nèi)核更長時間地保持在更深的睡眠狀態(tài)。在許多應(yīng)用中，MCU 是反動的；只有在對外部刺激做出反應(yīng)時才需要操作。將初始處理和決策轉(zhuǎn)移到更“智能”的外圍設(shè)備，這些外圍設(shè)備僅在刺激滿足預(yù)定參數(shù)時才喚醒內(nèi)核，從而無需定期喚醒內(nèi)核以檢查可能發(fā)生的事件的“內(nèi)務(wù)管理”循環(huán)。另一方面，自主外圍設(shè)備會在需要時產(chǎn)生中斷，讓內(nèi)核進入睡眠狀態(tài)。

　　Energy Micro 是最早采用這種方法的制造商之一，它在其“超低功耗”MCU 系列中使用了 Cortex-M3 內(nèi)核。Gecko系列實現(xiàn)了在內(nèi)核和主系統(tǒng)時鐘有效關(guān)閉時保持活動的自主外圍設(shè)備，而是依靠獨立的較低頻率時鐘源來保持外圍設(shè)備活動，而無需內(nèi)核干預(yù)。當(dāng)啟用中斷請求功能時，自主外設(shè)僅在需要處理數(shù)據(jù)時才能喚醒內(nèi)核。

　　Energy Micro 是自主外圍設(shè)備的先驅(qū)，現(xiàn)在提供其 Gecko 系列的封裝越來越小。

　　Atmel 的 picoPower 技術(shù)也包含此功能，它實際上將其稱為 SleepWalking。本質(zhì)上，它使外圍設(shè)備能夠根據(jù)外圍設(shè)備的能力做出“決策”；例如，如果輸入超過預(yù)先配置的限制，ADC 可以啟動中斷。

　　這些功能是對現(xiàn)代 MCU 中現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)過多的睡眠模式的補充，尤其是那些具有 32 位內(nèi)核的睡眠模式。雖然 ARM 負責(zé)其中許多低功耗模式，但制造商通常需要實施一個系統(tǒng)范圍的解決方案，該解決方案考慮到將內(nèi)核置于睡眠模式的影響。最終，這意味著從內(nèi)核及其子系統(tǒng)內(nèi)的各個域中移除電源和/或時鐘信號。為外設(shè)提供單獨的時鐘域現(xiàn)在被視為“標(biāo)準(zhǔn)”，但它仍然是一項相對較新的功能，并且由于需求減少，8 位設(shè)備可能不太可能開發(fā)該功能，并且可能認為 8 位的壽命設(shè)備。

　　概括

　　具有諷刺意味的是，盡管設(shè)備制造商竭盡全力將 OEM 遷移到更高性能的 32 位 MCU 架構(gòu)，但設(shè)備制造商仍然需要付出巨大的努力，以使這些設(shè)備盡可能長時間地保持非活動狀態(tài)，同時在它們運行時保持非常低的功耗。變得活躍。然而，這種二分法只能通過增加核心級別的設(shè)備功率和通過更復(fù)雜的外圍設(shè)備來實現(xiàn)。如果投資于 8 位架構(gòu)，這種水平的設(shè)計努力似乎不太可能獲得回報，這意味著他們的日子真的屈指可數(shù)——無論行業(yè)是否喜歡。

　　當(dāng)然，設(shè)備制造商致力于持續(xù)供應(yīng)；許多 8 位器件用于工業(yè)應(yīng)用，它們的商業(yè)壽命已經(jīng)很多年了，制造商不太可能在沒有充分理由的情況下強迫客戶遷移到 32 位系列。

　　雖然下一波 MCU 將以更低的有功功率（目前為 100 μA/MHz）展開競爭，但市場上已經(jīng)有多種低功耗解決方案可以量產(chǎn)，這讓工程團隊相信無論他們采用何種解決方案選擇，它很可能在路線圖上進一步降低功耗。