從硅芯片到軟件，設(shè)計(jì)低能耗嵌入式系統(tǒng)

（文章來源：OFweek）

設(shè)計(jì)低能耗系統(tǒng)時，我們需要關(guān)注一些非傳統(tǒng)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(jī)的嵌入式平臺上所運(yùn)行的軟件。通過對系統(tǒng)層面的深入分析，本文討論決定MCU能效的三個關(guān)鍵參數(shù)：工作模式功耗、待機(jī)模式功耗和占空比（他決定各種狀態(tài)下所占用的時間比率，由軟件自身來決定）。

低能耗待機(jī)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(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)選擇的權(quán)衡是十分微妙的決定因素，有時會出現(xiàn)意想不到的結(jié)果。此外，單片機(jī)上功能模塊相結(jié)合的方式對整體能耗加以動態(tài)影響。即使對硬件實(shí)現(xiàn)看似小而輕微的改變，都可能會導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行周期中整體能耗的大幅波動。

舉幾個應(yīng)用示例。測量和報警系統(tǒng)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就可能會導(dǎo)致產(chǎn)品的實(shí)際使用壽命減少幾年。而一個簡單的煙霧報警器，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(zhí)行3.15億次讀取操作。

簡單煙霧報警器的工作比例或占空比是相當(dāng)?shù)偷?。每次傳感器讀取操作可能花費(fèi)時間不超過幾百微秒，而大部分時間都消耗在其他方面，包括：校準(zhǔn)和準(zhǔn)備過程，單片機(jī)喚醒模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和其他感應(yīng)模擬器件，并等待其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)點(diǎn)的時間。在這種情況下，工作周期可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)中的非活動狀態(tài)時間大約占總時間的99.98％。

傳統(tǒng)的煙霧報警器比較簡單。我們來看一個更復(fù)雜的RF設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)結(jié)果通過傳感器網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街鳈C(jī)應(yīng)用中。傳感器需要監(jiān)聽主節(jié)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(dāng)前所捕獲信息。額外的工作不一定會影響整個占空比，相反，在活動周期中，使用更高性能的裝置還可以執(zhí)行更多功能，因?yàn)楦咝阅苎b置提高了處理速度（可通過使用更先進(jìn)的架構(gòu)和半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)），與運(yùn)行更多周期的慢速裝置相比，快速裝置具備更高能效。

幾乎所有的MCU都通過CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。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。參見圖1，電壓和電容是生產(chǎn)工藝技術(shù)相關(guān)的因子。在過去的三十年中，CMOS邏輯的片上操作電壓已經(jīng)從12V下降到2V以下，同時晶體管體積也大大縮小。因?yàn)殡妷涸诠ぷ鞴姆匠淌街惺嵌魏瘮?shù)，因此使用較低電壓將對功耗帶來顯著的影響。

電容作為可使總功耗降低的一項(xiàng)因子，雖然是線性，也大大受益于摩爾定律。對于給定的邏輯函數(shù)來說，更先進(jìn)的生產(chǎn)工藝可提供比之前更小體積的電容，并且可獲得更低的功耗。此外，還有一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)可以降低整體開關(guān)頻率，這種技術(shù)被稱為時鐘門控。

與其他技術(shù)相比，CMOS可以極大降低能源浪費(fèi)，但同時存在漏電損耗。與工作模式功耗相比，漏電損耗以摩爾定律速率來增加，在所有低能耗應(yīng)用中都要加以考慮，因?yàn)樗c低占空比系統(tǒng)的非工作時間成正比。然而，和工作模式功耗一樣，電路設(shè)計(jì)對真實(shí)漏電損耗產(chǎn)生動態(tài)影響。類似時鐘門控，功率門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(jié)點(diǎn)是低占空比系統(tǒng)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。