從硅芯片到軟件- 設計低能耗嵌入式系統
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第一部分硅芯片選擇
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201808/387561.htm簡(jiǎn)介
設計低能耗系統時(shí)，我們需要關(guān)注一些非傳統因素，這些因素涉及范圍從硅芯片生產(chǎn)工藝技術(shù)，到基于單片機的嵌入式平臺上所運行的軟件。通過(guò)對系統層面的深入分析，本文討論決定MCU能效的三個(gè)關(guān)鍵參數：工作模式功耗、待機模式功耗和占空比(他決定各種狀態(tài)下所占用的時(shí)間比率，由軟件自身來(lái)決定)。
低能耗待
機狀態(tài)使MCU看上去具有超高能效，但事實(shí)是，只有考慮了控制工作模式功耗的所有因素后才能決定MCU的能效狀況?？傊?，對于處理工藝、IC架構和軟件結
構選擇的權衡是十分微妙的決定因素，有時(shí)會(huì )出現意想不到的結果。此外，單片機上功能模塊相結合的方式對整體能耗加以動(dòng)態(tài)影響。即使對硬件實(shí)現看似小而輕微
的改變，都可能會(huì )導致系統運行周期中整體能耗的大幅波動(dòng)。
低能耗應用
舉幾個(gè)應用示例。測量和報警系統通常由單電池供電，并具有約10年的生命周期。在傳感器讀取操作上(在產(chǎn)品生命周期中可能發(fā)生幾億次)，小小的電流消耗增
長(cháng)就可能會(huì )導致產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命減少幾年。而一個(gè)簡(jiǎn)單的煙霧報警器，需每秒檢測一次空中煙霧粒子是否存在，在其生命周期中將要執行3.15億次讀取操
作。
簡(jiǎn)單煙霧報警器的工作比例或占空比是相當低的。每次傳感器讀取操作可能花費時(shí)間不超過(guò)幾百微秒，而大部分時(shí)間都消耗在其他方面，包括：校準和準備過(guò)程，單
片機喚醒模數轉換器(ADC)和其他感應模擬器件，并等待其達到穩定狀態(tài)點(diǎn)的時(shí)間。在這種情況下，工作周期可能導致設計中的非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)間大約占總時(shí)間的
99.98%。
傳統的煙霧報警器比較簡(jiǎn)單。我們來(lái)看一個(gè)更復雜的RF設計，此設計中，數據結果通過(guò)傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )傳輸到主機應用中。傳感器需要監聽(tīng)主節點(diǎn)的工作狀態(tài)，由
此他可以發(fā)信號表明自己仍然在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中，或者為路由器提供當前所捕獲信息。額外的工作不一定會(huì )影響整個(gè)占空比，相反，在活動(dòng)周期中，使用更高性能的裝置
還可以執行更多功能，因為高性能裝置提高了處理速度(可通過(guò)使用更先進(jìn)的架構和半導體技術(shù)實(shí)現)，與運行更多周期的慢速裝置相比，快速裝置具備更高能效。
設計關(guān)鍵在于理解工藝技術(shù)、MCU架構和軟件實(shí)現之間的相互作用。
第二部分：CMOS能耗分布
幾乎所有的MCU都通過(guò)CMOS技術(shù)實(shí)現。任何工作邏輯電路的功耗可由公式CV2f決定，其中：C代表裝置中開(kāi)關(guān)電路路徑上的總電容，V代表供電電壓，f代表操作頻率。電壓和電容是生產(chǎn)工藝技術(shù)相關(guān)的因子。在過(guò)去的三十年中，CMOS邏輯的片上操作電壓已經(jīng)從12V下降到2V以下，同時(shí)晶體管體積也大大縮小。因為電壓在工作功耗方程式中是二次函數，因此使用較低電壓將對功耗帶來(lái)顯著(zhù)的影響。
與其他技術(shù)相比，CMOS可以極大降低能源浪費，但同時(shí)存在漏電損耗。與工作模式功耗相比，漏電損耗以摩爾定律速率來(lái)增加，在所有低能耗應用中都要加以考慮，因為他與低占空比系統的非工作時(shí)間成正比。然而，和工作模式功耗一樣，電路設計對真實(shí)漏電損耗產(chǎn)生動(dòng)態(tài)影響。類(lèi)似時(shí)鐘門(mén)控，功率門(mén)控也能夠大大減輕漏電損耗的影響，采用更多先進(jìn)工藝的節點(diǎn)是低占空比系統的更好選擇，即使是舊的工藝技術(shù)也可以獲得更低的理論漏電損耗量。
適用的生產(chǎn)工藝技術(shù)
每一個(gè)特性集都有合適的生產(chǎn)工藝技術(shù)。關(guān)鍵在于，當裝置長(cháng)時(shí)間處于休眠模式時(shí)，僅僅依賴(lài)一種具有最低理論漏電損耗的生產(chǎn)工藝技術(shù)是不夠的。在休眠模式，可以禁止為MCU中大部分部件供電，把漏電組件排除在方程式之外。當電路處于工作模式，漏電損耗是一個(gè)大問(wèn)題，簡(jiǎn)單的方法是利用更先進(jìn)和高效的晶體管所帶來(lái)的優(yōu)勢進(jìn)行彌補。
舉例來(lái)說(shuō)，與專(zhuān)用低功耗180nm生產(chǎn)工藝的漏電損耗相比，90nm生產(chǎn)工藝所產(chǎn)生的漏電損耗高五倍，但工作模式功耗低4倍，這是基于一個(gè)相當大的數值來(lái)計算。假設一個(gè)180nm工藝的單片機，其具有40mA工作電流消耗和60nA休眠模式功耗，與采用90nm工藝實(shí)現的功耗級別相比，90nm工藝單片機工作電流功耗可降低到10mA，但是休眠模式電流卻達到300nA。
在上面的例子中，對于90nm工藝MCU來(lái)說(shuō)，為了獲得更好的整體功效必須有0.0008%的活動(dòng)時(shí)間。換句話(huà)講，如果系統每天有1秒鐘活動(dòng)時(shí)間，90nm版本的功效大約是180nm版本的1.5倍。由此可以發(fā)現，當選擇一種生產(chǎn)工藝時(shí)，了解應用占空比是十分重要的。一旦適當的工藝技術(shù)被選中，IC設計者具有進(jìn)一步優(yōu)化能效的選項。當時(shí)鐘門(mén)控的概念首次推出時(shí)，僅僅粗略的應用在設計中。時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)增加了設計復雜性，因為電路設計人員要清楚特定時(shí)間內，哪一條邏輯路徑需要時(shí)鐘信號。
時(shí)鐘分配
大多數單片機實(shí)現采用分層結構，把時(shí)鐘信號和適當的電壓電平分配到IC的每個(gè)部分。各功能單元(諸如指令處理塊和外圍設備)組成不同的組。這些組通過(guò)分離的時(shí)鐘樹(shù)和電源網(wǎng)絡(luò )提供時(shí)鐘信號和電源。每個(gè)組中的時(shí)鐘信號來(lái)自于一個(gè)公共時(shí)鐘源，然后分頻或倍乘。如果不同組需要不同的電壓，則傳送到每個(gè)外設組的電壓由一系列功率晶體管和電壓調節器控制，現在這種做法越來(lái)越普及。為了最大程度降低設計的復雜性，MCU使用相對簡(jiǎn)單的時(shí)鐘門(mén)控策略，只要功能組中沒(méi)有任何功能單元處于工作狀態(tài)，整個(gè)時(shí)鐘樹(shù)就關(guān)閉;此種情況下，仍然允許處于工作狀態(tài)的組中，為沒(méi)有執行工作的邏輯提供時(shí)鐘信號。例如CPU內核中的加法器單元可以接收時(shí)鐘信號，即使當前是一條分支指令。加法器單元中由時(shí)鐘信號觸發(fā)的開(kāi)關(guān)增加了功耗，這是通過(guò)之前所述的CV2f公式中的一個(gè)因子引起的。
設計工具和技術(shù)的改進(jìn)為人們帶來(lái)好處：在運行周期中，當不需要時(shí)鐘信號的外圍設備或功能單元不執行操作時(shí)，可以增加時(shí)鐘門(mén)控的控制精度。電壓縮放可進(jìn)一步節省功耗，當需要時(shí)他可為特定功能單元組提供更低的電壓。為一組功能單元或外設提供適當電壓的關(guān)鍵是使用片上電壓調節器或DC-DC變換器，并且使用監視電路確保IC操作在所需電壓上。
供電原則
片上電壓調節器為系統設計者提供更高的靈活性，可以從電池中獲得更多的電荷。例如，一個(gè)片上開(kāi)關(guān)降壓變換器(已經(jīng)集成在Silicon Labs SiM3L1xx系列產(chǎn)品上)，可以把工業(yè)電池上的3.6V電壓以超過(guò)80%的轉換效率轉換成1.2V。許多MCU沒(méi)有此功能，而使用線(xiàn)性元件降壓到適當的電平，這造成了巨大的浪費。在先進(jìn)的技術(shù)中，當電池放電到不能再執行轉換功能時(shí)，降壓型穩壓器可以關(guān)閉。因此電源可以在裝置的整個(gè)生命周期中優(yōu)化能源效率，所有這些都可在軟件控制下實(shí)現。
結論
低能耗系統設計是一個(gè)整體的設計過(guò)程，需要選擇合適的硅芯片、軟件和開(kāi)發(fā)工具。通過(guò)掌握這些變量因素之間的關(guān)系，系統工程師可以開(kāi)發(fā)出更高性能和高能效的嵌入式系統，突破電池供電型應用的諸多限制。
“從硅芯片到軟件— 設計低能耗嵌入式系統”的第二部分探討了開(kāi)發(fā)人員為實(shí)現最低功耗而優(yōu)化嵌入式系統時(shí)，需要考慮的軟件設計原則。
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