可延長(cháng)電池壽命的新一代節能微控制器設計簡(jiǎn)介

　　一旦MCU被喚醒并執行應用代碼，M3內核使用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設計工程師需要部署更多策略。其中一個(gè)是不僅減少內核在實(shí)際處理應用代碼時(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)生成或事件驅動(dòng))，并且CPU正在準備做“真正的工作”。一種途徑是最大限度地減少與內核時(shí)鐘信號供應相關(guān)的啟動(dòng)時(shí)間。眾所周知，當一個(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)系統時(shí)鐘使用之前，它需要一些時(shí)間來(lái)穩定其輸出。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)基可能不夠準確，但它會(huì )在開(kāi)機后的幾乎一瞬間產(chǎn)生有規則的輸出。部分解決方案是縮短同時(shí)提供信號的時(shí)間。CPU在開(kāi)機上電的同時(shí)就開(kāi)始運行，由RC振蕩器進(jìn)行計時(shí)，而小型控制電路一旦穩定下來(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，因為使用它的周期相對較短。

　　簡(jiǎn)單任務(wù)無(wú)需MCU內核

　　盡管設計工程師非常小心地為一個(gè)高性能處理內核提供電源，并且在盡可能短的時(shí)間內實(shí)現了這個(gè)目標，但芯片設計師或系統設計師有必要問(wèn)問(wèn)給定任務(wù)是否需要這樣的內核，即如果喚醒它只是執行簡(jiǎn)單任務(wù)的話(huà)，即使是最節能的內核也會(huì )浪費電池的電荷。我們再用環(huán)境傳感器的應用作個(gè)例子，它可能需要定期測量，但只需在不頻繁的時(shí)間間隔內將測量結果報告到中央數據記錄器中。運行通信接口的軟件堆棧一定會(huì )要求喚醒MCU內核，但這會(huì )更頻繁地打開(kāi)模數轉換器，指揮A/D轉換，并以低功耗內存積累結果。如果只要求外圍設備設置在互連矩陣(圖4)控制下自主運行的話(huà)，消耗的功率會(huì )更少。由于應用的差別很大，能夠靈活地選擇哪些功能模塊來(lái)供電以及它們如何通信對充分利用這一概念非常重要。

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

　　在電源預算中加密

　　眾所周知，在現代CMOS半導體工藝中，為硬連接塊IC增加功能的硅區成本相對較低。這產(chǎn)生了與直覺(jué)略微不一致的結果，為了把功耗降到最低，最有效的選擇往往是增加門(mén)控數。利用先進(jìn)的時(shí)鐘樹(shù)設計、時(shí)鐘門(mén)控和片上電源開(kāi)關(guān)等技術(shù)，IC設計工程師可以隨時(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據現在也通過(guò)例行的加密來(lái)保證安全，通常采用被稱(chēng)為AES的算法。這對一個(gè)32位MCU內核而言不是一項具有挑戰性的任務(wù)，但它確實(shí)占用了大量的處理器周期，延長(cháng)了總的微安×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。這些周期中的大多數花在了執行算法中的一些內部循環(huán)計算上，增加一個(gè)AES加速器硬件模塊可使MCU停止AES算法，轉向專(zhuān)用硬件，MCU繼續進(jìn)行其他處理，并以更少的周期得到加密(或解密)結果。

　　迅速擴展的能源敏感應用類(lèi)別(由少數高端類(lèi)別如智能電能計量領(lǐng)導)重新定義了用電池驅動(dòng)一個(gè)產(chǎn)品的意義。這些產(chǎn)品必須在單電池的驅動(dòng)下提供服務(wù)，這一時(shí)間與電池本身的有效期一致，并與電池制造商規定的最大時(shí)間間隔(長(cháng)達甚至超過(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計提供一個(gè)現實(shí)的解決辦法。

　　IC設計工程師十分注重低功耗芯片設計的每個(gè)方面，這樣的IC架構現在可以提供現代、功能強大的32位處理器內核給產(chǎn)品設計工程師，同時(shí)盡可能地降低了功率要求。