從硅片到軟件的嵌入系統
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低功耗系統設計需要注意很多非傳統性因素，從硅片工藝技術(shù)，直到在微控制器嵌入平臺上運行的軟件。在系統級做仔細檢查可揭示出決定微控制器能效的三個(gè)主要參數：有源模式功耗；待機功耗；以及工作周期，后者決定了兩種狀態(tài)上所花時(shí)間的比率，而這個(gè)比率則取決于軟件的行為。 低功耗待機狀態(tài)可以使一只微控制器看似非常高能效，但只有考慮了影響到有源功耗的所有因素后，才能證明其最終性能。 低功耗待機狀態(tài)可以使一只微控制器看似非常高能效，但只有考慮了影響到有源功耗的所有因素后，才能證明其最終性能。鑒于這個(gè)和其它原因，工藝技術(shù)、IC架構以及軟件結構之間的權衡就是一些決策問(wèn)題，有一些微妙和有時(shí)無(wú)法預期的結果。一個(gè)MCU中各功能塊相互結合的方式，對整體能效有顯著(zhù)的影響。即使硬件實(shí)現上看似微小的改變，也可能致使一個(gè)系統生命周期內的總能耗發(fā)生巨大的波動(dòng)。 低功耗應用 舉例來(lái)說(shuō)，讀表與報警系統，通常一節電池要供10年電。某只傳感器讀取功耗的少許增加（在產(chǎn)品的生命周期中，這種讀數動(dòng)作要發(fā)生上億次），就可能使產(chǎn)品的實(shí)際現場(chǎng)壽命減少數年時(shí)間。一只簡(jiǎn)單的煙霧警報器，每秒要探測一次空氣中的煙塵粒子，在其生命周期內完成3.15億次讀取。 一只簡(jiǎn)單煙霧報警器的活動(dòng)比率（或工作周期）還相對算低的。每只傳感器讀數時(shí)可能花費時(shí)間不到數百毫秒就能完成，大部分時(shí)間花在當MCU喚醒ADC以及其它敏感模擬元件時(shí)的校準和安定上，以使它們達到一個(gè)穩定的工作點(diǎn)。在本例中，工作周期是設計的關(guān)鍵，這個(gè)設計在約99.88%的時(shí)間中是處于不活動(dòng)狀態(tài)。 傳統的煙霧警報器還算比較簡(jiǎn)單?？紤]一個(gè)更復雜的RF設計，它有一個(gè)傳感器網(wǎng)格，將讀數結果轉發(fā)給一個(gè)主控應用。傳感器需要從一個(gè)主結點(diǎn)聆聽(tīng)活動(dòng)情況，這樣一方面可以通告說(shuō)自己仍然在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )中，或者將最新捕捉的信息發(fā)送給路由器。不過(guò)，增加活動(dòng)可能并不影響整個(gè)工作周期；相反，采用更高性能的器件，可以在每次激活期間完成更多功能。由于更先進(jìn)架構與半導體技術(shù)，使得處理速度的增加成為可能，較快器件可以提供更高的能效，而較慢器件則要運行更長(cháng)周期。重點(diǎn)在于了解工藝技術(shù)、MCU架構，以及軟件實(shí)現之間的交互作用。 硅選擇 CMOS能耗數據。 幾乎所有MCU的實(shí)現都使用了CMOS技術(shù)（圖1）。任何激活態(tài)下邏輯電路的功耗都可以用公式CV2f表示，其中C是器件內開(kāi)關(guān)電路路徑的總電容，V是電源電壓，而f是工作頻率。電壓和電容都是所采用工藝技術(shù)的因素。過(guò)去三十年以來(lái)，CMOS邏輯的芯片工作電壓已經(jīng)從12V降到不足2V,原因是晶體管尺寸的縮小。鑒于電壓在有源功耗的公式中是一個(gè)二次項，因此電壓的降低有明顯的作用。 盡管電容項是線(xiàn)性的，但摩爾定律的縮小也非常有利于降低其整體水平。對于一個(gè)給定的邏輯功能，更先進(jìn)的工藝可提供較低電容，從而獲得較前代更低的功耗。另外，先進(jìn)的設計技術(shù)能夠實(shí)現時(shí)鐘門(mén)控，這樣只有完成實(shí)際任務(wù)的電路才工作，從而降低了總體開(kāi)關(guān)頻率。 與其它技術(shù)相比，CMOS顯著(zhù)降低了浪費的能量；但是，泄漏電流仍然存在。與有源功耗相反，泄漏功耗會(huì )隨摩爾定律尺度的縮小而增加，在任何低功耗應用中都要考慮它的因素，因為對于一個(gè)低工作周期系統，大部分時(shí)間是處于非激活狀態(tài)。但對有源功耗，電路設計就對實(shí)際泄漏有重要影響。與時(shí)鐘門(mén)控類(lèi)似，電源門(mén)控可以大大改善泄漏的效應，使更先進(jìn)工藝結點(diǎn)成為低工作周期系統的較好選擇，盡管理論上較老工藝技術(shù)能夠提供更低的泄漏數值。 適合的工藝技術(shù)。對每組特性集合都存在著(zhù)一種適當的工藝技術(shù)。答案并非簡(jiǎn)單地取決于一種有最低理論泄漏值的工藝技術(shù)，因為器件在睡眠模式下花費的時(shí)間很多。在睡眠模式下，可以關(guān)閉MCU中大部分的電源，從公式中拿掉泄漏成份。當電路活動(dòng)時(shí)，泄漏是一個(gè)較大的問(wèn)題，但先進(jìn)晶體管的優(yōu)勢在于能以高得多的效率切換，從而可以輕易地抵消這個(gè)問(wèn)題。 舉例來(lái)說(shuō)，90 nm工藝的泄漏電流要比專(zhuān)用的低功耗180 nm工藝高出大約五倍。有源模式功耗要低四倍，但其基數是一個(gè)大得多的數值。 例如一個(gè)180 nm MCU,其有源耗電為40 mA,深度睡眠模式耗電為60 nA,與這些功率水平相比，90 nm實(shí)現的功率水平能夠將有源耗電降至10 mA,但睡眠模式電流較高，為300 nA.對90 nm實(shí)現來(lái)說(shuō)，MCU必須在0.0008%的時(shí)間里為活動(dòng)狀態(tài)，才能獲得更高的總體能效。換句話(huà)說(shuō)，如果系統每天只活動(dòng)工作1秒，則90 nm版的能效大約是其180 nm對手的1.5倍。結論是，在選擇工藝尺度時(shí)，關(guān)鍵在于了解應用的工作周期（圖2）。 一旦選擇好了合適的工作技術(shù)，IC設計者就可以選擇進(jìn)一步優(yōu)化能源性能。當時(shí)鐘門(mén)控最初問(wèn)世時(shí)，它只在一個(gè)相對粗糙的水平上使用。時(shí)鐘門(mén)控增加了一個(gè)系統的復雜性，因為電路設計者需要知道在任何確定的時(shí)間時(shí)，哪個(gè)邏輯路徑需要時(shí)鐘信號。 時(shí)鐘分配。大多數MCU實(shí)現都采用一種層次式結構，將時(shí)鐘信號和相應的電壓水平分配到IC的各個(gè)部分。各個(gè)功能單元（如指令處理塊與外設）被劃分為組，每組都饋給一個(gè)獨立的時(shí)鐘樹(shù)和電源網(wǎng)絡(luò )。一個(gè)分頻器或復用器從一個(gè)公共時(shí)鐘源獲得每一組的時(shí)鐘信號。同樣，如果這些組需要不同的電壓（這種方案日益普遍），則一組功率晶體管和穩壓器會(huì )為每組外設提供電壓。 為盡量減少設計的復雜性，MCU采用了一種相對簡(jiǎn)單的時(shí)鐘門(mén)控方法，只要一組中的功率單項均未激活，則會(huì )關(guān)斷整個(gè)時(shí)鐘樹(shù)。不過(guò)，這種方法會(huì )向那些在活動(dòng)組中不工作的邏輯送入時(shí)鐘。例如，如果當前指令是一個(gè)分支指令，CPU核心中的加法單元也會(huì )收到一個(gè)時(shí)鐘。如前所述，時(shí)鐘信號在加法器中觸發(fā)的轉換會(huì )使功耗增加CV2f倍。 設計工具與技術(shù)的進(jìn)步已能夠使時(shí)鐘門(mén)控的粒度增加到某個(gè)點(diǎn)，如果外設或功率單元在該周期內不工作，就不會(huì )收到時(shí)應用的工作周期鐘信號。 電壓縮放提供了更進(jìn)一步的節能潛力，它能在必要時(shí)，為特定一組功能單元提供一個(gè)較低的電壓。為一組功率單元或外設提供適當電壓的關(guān)鍵在于片上穩壓器或dc/dc轉換器的實(shí)現，以及監控電路的使用，確保IC工作在所需要的電壓下。 電源的考慮。片上穩壓器為系統設計者提供了更高的靈活性，從而能從一只電池榨取更多電能。例如，片上開(kāi)關(guān)降壓轉換器（如Silicon Labs公司的SiM3L1xx MCU產(chǎn)品）可以從一只3.6V工業(yè)電池獲得輸入，以高于80%的效率將其轉換為1.2V.很多MCU沒(méi)有這種特性，而是采用線(xiàn)性元件降壓到合適電平，會(huì )有大量的消耗。在高級的實(shí)現中，當電池放電到某個(gè)水平，轉換器無(wú)法做轉換工作時(shí)，降壓穩壓器可以關(guān)閉。因此，電源可以在設備的整個(gè)生命周期上做到優(yōu)化能效，一切均在軟件控制下。 軟件的決策 性能的縮放。高能效嵌入應用的實(shí)現有賴(lài)于軟件的設計，軟件要以最適當的方式使用硬件資源。什么樣才是適合，這不僅取決于應用，而且要看硬件實(shí)現。同樣，硬件越靈活（包括CPU、時(shí)鐘、電壓和存儲器使用），開(kāi)發(fā)者可以獲得的節能潛力也越大。能感知硬件的軟件工具為嵌入系統工程師提供了更高的認知度，使他們能夠更多地了解到哪種更高節能是可實(shí)現的。 一種選擇是采用動(dòng)態(tài)電壓縮放，如圖3和圖4所示。使該技術(shù)得以實(shí)現的是片上dc/dc轉換器與性能監控電路，當應用不需要以最高速度執行指令時(shí)，它們提供了降低電壓的能力。在這些情況下，系統就工作在較低的功耗下。最終的益處是一個(gè)輸入電壓的函數，可以在產(chǎn)品的生命周期內變化。圖中顯示了無(wú)電壓縮放（VDD固定）、SVS（靜態(tài)電壓縮放），以及AVS（動(dòng)態(tài)電壓縮放）之間的相對差別。
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