破解MCU超低功耗難題，ST新一代U5靠什么制勝？

隨著(zhù)可穿戴、個(gè)人醫療、家庭自動(dòng)化和工業(yè)傳感器等智能設備的增長(cháng)，對低功耗、高性能、高安全性的MCU（微控制器）的需求日益提升。2021 年3 月，意法半導體（ST）在其經(jīng)典的超低功耗L 系列基礎上，推出了新一代產(chǎn)品線(xiàn)——STM32U5。

U5 采用了多種超低功耗技術(shù)。不久前，ST 中國區微控制器事業(yè)部市場(chǎng)及應用總監曹錦東、ST 中國區微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理彭祖年向電子產(chǎn)品世界等媒體揭開(kāi)了其廬山真面目。

1   U5的3個(gè)特點(diǎn)

STM32U5 的定義是一個(gè)低功耗旗艦級產(chǎn)品線(xiàn)，最大的3 個(gè)特點(diǎn)：①超低功耗。②在超低功耗平臺上提升了性能，是基于高性能和超低功耗兩者結合的集合。③增強了安全可靠方面的功能，適合IoT 應用。為了研制U5 產(chǎn)品線(xiàn)，ST 內部花了漫長(cháng)的時(shí)間在研發(fā)，創(chuàng )新不僅在工藝（注：達到40 nm），在IP 還包括整個(gè)架構的設計，使該低功耗產(chǎn)品線(xiàn)能夠支持到現在的

消費電子、可穿戴以及工業(yè)控制領(lǐng)域。

2   對功耗的偏見(jiàn)

U5 對超低功耗和高性能有很好的結合。其節能成績(jì)單如下圖。這是在第三方EEMBC ULP Benchmark 上面得到的測試結果。該測試結果不僅包含了運行狀態(tài)下對性能的評估，同時(shí)也將芯片在各種模式下的功耗水平綜合體現出來(lái)。

這里糾正一個(gè)偏見(jiàn)：很多用戶(hù)可能會(huì )比較關(guān)注超低功耗產(chǎn)品的μA/MHz 參數，但該參數是在運行狀態(tài)下，以及特定場(chǎng)景中針對CPU 耗電量的評估，并不能代表系統整體的功耗水平。為了實(shí)現低功耗，我們要看什么應用方向，該應用方向里它需要什么外設的工作，所需要系統采用的功耗模式該怎么做？例如手表，佩戴后一直在采樣數據，抬手時(shí)就要顯示數據，但可能平常走路時(shí)沒(méi)有抬手，就沒(méi)有顯示，CPU 是睡眠的。再例如，有些表計用CPU 每個(gè)月只要醒幾次就可以了，但是外設也一直在做數據的采集。ST所M3以2U不5 U同LP模B式EN的CH功 節耗能不成一績(jì)單樣。

所以，如何參考系統整體功耗水平，可以將目光轉移到ULP Benchmark 的評比上，它會(huì )針對不同的測試狀況，去綜合評估系統的運行性能、運行功耗、休眠狀態(tài)和喚醒時(shí)的功耗。在一些測試的項目中，還會(huì )包括針對芯片外設功耗的評估。與前幾代STM32 L 系列超低功耗產(chǎn)品線(xiàn)進(jìn)行對比后，可見(jiàn)U5 系列已經(jīng)達到了240DMIPS 和651Coremark 的性能評分（如下圖）。同時(shí)，為了進(jìn)一步挖掘U5 性能的潛力，U5 上還有數學(xué)運算加速器、ART 加速器等單元，以輔助和加速整個(gè)芯片內部運算系統的效率。

其設計難點(diǎn)在于：對于STM32，從過(guò)去的L1 到L0、L4、L5，① ST 有最新的工藝，從過(guò)去的110 nm到90 nm，直到現在的40 nm 工藝，可能工藝本身也會(huì )帶來(lái)動(dòng)態(tài)功耗的節約；然而，靜態(tài)功耗卻是相反的，這是兩個(gè)相悖的數據。②外設方面也做了更精確的設計，這是系統性的問(wèn)題。

可以看到，U5 的系統復雜性比以往更高，要保持同樣的主頻上，功耗要更低其實(shí)是很難的挑戰。

3   為何功耗更低？

節省功耗需要考慮多種因素（如下圖），需要更多的功耗模式與更多的節電小技巧。

1）休眠模式下仍可工作

針對低功耗，STM32U5 有一個(gè)特殊的功能：低功耗后臺的自主模式。即當芯片進(jìn)入低功耗模式時(shí)，CPU是需要斷電的，但產(chǎn)品外面可能還會(huì )搭載很多的傳感器。這些傳感器的數據可能會(huì )實(shí)時(shí)地輸入到主控芯片這一側。通常情況下，該傳感器的數據傳輸是需要系統或CPU 來(lái)進(jìn)行數據處理，但U5 設置了一個(gè)獨特的外設，可以將很多通用接口包括I2C、SPI、串口、ADC 等外設上的數據，在不喚醒CPU 的情況下，搬運至MCU 內部一塊SRAM4，約有16kB 的空間。當這些數據累計到一定數量時(shí)，再喚醒Cortex-M33 內核進(jìn)行一次性的批處理。

這里帶來(lái)的體驗是：不需要頻繁地喚醒CPU，只使能外設，其功耗是非常低的。因為從外部的傳感器獲取數據，避免了中間頻繁的喚醒。ST 做了大概的測試，類(lèi)似于經(jīng)典數據采集以及喚醒處理的模型，大約可將CPU喚醒的次數降為原來(lái)的休1/10。

在芯片內部功耗管理下面，有更多靈活的功耗模式可供客戶(hù)選擇。其中一個(gè)經(jīng)典的應用場(chǎng)景是Stop 模式，同時(shí)保存部分SRAM 或全部SRAM 中的數據。這樣的狀態(tài)下，功耗是個(gè)位數的μA 級。

2）U5 芯片上更多省電的小技巧

可以通過(guò)內置的SMPS 降低CPU 的內核供電電壓。

在不同功耗模式下切換，也可以達到μs 級的切換速度。

SRAM 和Flash 都可以讓用戶(hù)自己去選擇究竟可以保留多少的空間，這樣用戶(hù)可以根據自己實(shí)際應用情況來(lái)進(jìn)一步避免不必要的能量損失。值得一提的是，內部的Flash 是雙bank 設計的，可將不常用的bank 在低功耗模式下斷電，這樣功耗可以節省40 μA 左右。但是當指令跳轉到被斷電的Flash Bank 上時(shí)，系統是可以自動(dòng)喚醒的，只需要等待5μs 的延時(shí)?；蛘呖梢园褍炔康腇lash 通過(guò)損失一些讀取速度的方式去讓它進(jìn)入一種低功耗的模式，大概可以減少系統先進(jìn)45且μ靈A活的的能低耗功。

4   小結

可見(jiàn)，結合多種多樣的低功耗模式的設計，以及更多的省電小技巧，只要用戶(hù)能夠去玩轉U5 中這些小設計，就可以將功耗管理做到極致。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）