节能MCU内核可延长电池寿命

简单任务无需MCU内核

尽管设计工程师非常小心地为一个高性能处理内核提供电源，并且在尽可能短的时间内实现了这个目标，但芯片设计师或系统设计师有必要问问给定任务是否需要这样的内核，即如果唤醒它只是执行简单任务的话，即使是最节能的内核也会浪费电池的电荷。我们再用环境传感器的应用作个例子，它可能需要定期测量，但只需在不频繁的时间间隔内将测量结果报告到中央数据记录器中。运行通信接口的软件堆栈一定会要求唤醒MCU内核，但这会更频繁地打开模数转换器，指挥A/D转换，并以低功耗内存积累结果。如果只要求外围设备设置在互连矩阵(图4)控制下自主运行的话，消耗的功率会更少。由于应用的差别很大，能够灵活地选择哪些功能模块来供电以及它们如何通信对充分利用这一概念非常重要。

图4：使用一个互连矩阵或“外围设备反射系统”可以执行简单的任务。在电源预算中加密

众所周知，在现代CMOS半导体工艺中，为硬连接块IC增加功能的硅区成本相对较低。这产生了与直觉略微不一致的结果，为了把功耗降到最低，最有效的选择往往是增加门控数。利用先进的时钟树设计、时钟门控和片上电源开关等技术，IC设计工程师可以随时轻松地完全关断不需要的功能。这种方法的一个突出功能就是加密。即使是看似平常的数据现在也通过例行的加密来保证安全，通常采用被称为AES的算法。这对一个32位MCU内核而言不是一项具有挑战性的任务，但它确实占用了大量的处理器周期，延长了总的微安×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。这些周期中的大多数花在了执行算法中的一些内部循环计算上，增加一个AES加速器硬件模块可使MCU停止AES算法，转向专用硬件，MCU继续进行其他处理，并以更少的周期得到加密(或解密)结果。

迅速扩展的能源敏感应用类别(由少数高端类别如智能电能计量领导)重新定义了用电池驱动一个产品的意义。这些产品必须在单电池的驱动下提供服务，这一时间与电池本身的有效期一致，并与电池制造商规定的最大时间间隔(长达甚至超过20年)一致。只有一个高度集成的单芯片微控制器能为这样的设计提供一个现实的解决办法。

IC设计工程师十分注重低功耗芯片设计的每个方面，这样的IC架构现在可以提供现代、功能强大的32位处理器内核给产品设计工程师，同时尽可能地降低了功率要求。

小结

在设计电池供电产品时，人们显然希望电池寿命尽可能长些。能源敏感的产品应用大致分为能源计量系统、家庭与楼宇自动化、安全和医疗系统(图1)。这些产品通常会围绕一个微控制器(MCU)，必须用单个原电池工作很长时间。在某些应用中，更换电池很困难甚至是不可能的，即使在其它普通应用中，用户也不大愿意支付更换电池的成本。

这类应用中采用的是在极低占空比下工作的微处理器，它在“深度睡眠”状态下的时间可能占了99%甚至更高(达到99.9%也不罕见)。微处理器在一个周期循环或在回应某些刺激时被“唤醒”来执行操作，并返回到睡眠状态中。由于它们花了如此多时间在睡眠状态，很明显，获得更长电池寿命的关键是在掉电状态下的电流消耗。不过，同一节电池的使用寿命为3或4年与超过10年、延至20年甚至更长之间的区别在于，要密切注意这个任务如何使用MCU资源的各个方面，以及MCU本身是如何设计成以各种方式减少能耗的。