隨著更多功能被推向更小但更復(fù)雜的設(shè)備，低功耗已成為一個(gè)不可避免的大問題。特別是，具有限制性能源（例如電池電量）和緊湊空間限制的手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為必須從有限的能量儲(chǔ)備中擠出更多的運(yùn)行時(shí)間。盡管如此，大型處理器被指示處理許多獨(dú)立的基于I/O的任務(wù)，同時(shí)將大部分時(shí)間用于低功耗空閑和睡眠狀態(tài)。由于電池運(yùn)行時(shí)間是用戶敏感的功能，因此工程師實(shí)時(shí)管理能量的能力可能決定了設(shè)計(jì)的成功。然而，物理學(xué)是物理學(xué)，我們只有很多選擇。幸運(yùn)的是，巧妙地使用我們所擁有的選項(xiàng)和資源仍然可以產(chǎn)生令人滿意的結(jié)果。

本文著眼于幾個(gè)具有低能耗特性和目標(biāo)設(shè)計(jì)要求能效的大型處理器。它研究了降低功耗的技術(shù)，如何動(dòng)態(tài)管理外設(shè)以及這些部件能夠聲稱和實(shí)現(xiàn)的能量和電流抽取數(shù)量。雖然微控制器引腳數(shù)從5到500不等，但我選擇了各自系列中的所有100引腳器件，以便進(jìn)行更多的比較。原理和技術(shù)適用于更大的引腳數(shù)，因此可以推斷出此處提供的信息。這里引用的所有零件，數(shù)據(jù)表，應(yīng)用筆記和開發(fā)套件都可以在Digi-Key的網(wǎng)站上找到。

有用的設(shè)計(jì)技術(shù)

歐姆定律和電路理論非常清楚，我們只能做很多事情。降低能耗，尤其是電路尺寸越來越小，門數(shù)越來越大。降低功率的主要方法是降低電壓，這是常見的做法。通過分離式電源（內(nèi)核，I/O和外設(shè)特定電源需求），片上穩(wěn)壓器或采用單個(gè)均勻低電壓（主要為1.6至1.8 V），微控制器的功耗要求一直在穩(wěn)步下降。這是芯片制造商所做的事情，如果我們選擇這樣做，我們所擁有的幾乎所有東西都可以在更低的電壓下運(yùn)行。降低功耗的另一個(gè)關(guān)鍵方法是降低驅(qū)動(dòng)我們的核心處理器邏輯的開關(guān)頻率，狀態(tài)機(jī)，定序器和外圍設(shè)備。數(shù)字電路的功耗與它們開關(guān)或時(shí)鐘的頻率成正比（圖1），因此降低的時(shí)鐘頻率會(huì)以相應(yīng)的方式降低功耗。

圖1：特別是對(duì)于CMOS電路，功耗與柵極級(jí)的開關(guān)頻率成正比。在較低頻率下獲得相同的性能會(huì)大大降低功耗。

雖然這種技術(shù)會(huì)直接降低處理性能，但并非一切都必須具有較低的時(shí)鐘頻率。核心處理器可能正在高速運(yùn)行，但UART沒有理由需要將11.0592 MHz時(shí)鐘分頻以獲得可靠的9，600波特連接。如果芯片制造商很聰明，他們會(huì)讓工程師選擇如何使用我們的可用時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)我們的外圍設(shè)備。有些人這樣做，因此您可以從32.768 kHz頻率（1個(gè)時(shí)鐘，每秒3，375個(gè)）運(yùn)行低能量UART。對(duì)于A/D和D/A轉(zhuǎn)換器也是如此，因此基于傳感器的設(shè)計(jì)也可以從這種技術(shù)中受益。

原始處理器性能也很重要。如果起動(dòng)處理器能夠在必須重新進(jìn)入休眠狀態(tài)之前的1 ms內(nèi)完成所有相關(guān)任務(wù)，則最好比必須運(yùn)行20 ms的較慢處理器更好。睡眠和低功耗模式通常非常有效，因此更快進(jìn)入睡眠模式可以節(jié)省大量能量。同樣，喚醒時(shí)間也很重要。喚醒時(shí)能量消耗更高，因此快速喚醒意味著更少的整體更高功率導(dǎo)通時(shí)間。外圍喚醒時(shí)間在這里也非常重要，包括芯片外和芯片外另一種降低能耗的技術(shù)是使用片上或片外自主外設(shè)，可以在低功耗后臺(tái)模式下工作，而無需主處理器的任何干預(yù)。視頻或顯示處理器可以刷新顯示而無需處理器干預(yù)。它還可以監(jiān)控觸摸屏并識(shí)別真實(shí)意圖與錯(cuò)誤聯(lián)系。它應(yīng)該使用比核心處理器更少的功率運(yùn)行，因?yàn)樗ǔＪ沁\(yùn)行時(shí)精簡，分解，減少狀態(tài)的機(jī)器，需要最少量的有源硬件。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器是可以從這種技術(shù)中受益的另一部分（圖2）。每毫秒需要監(jiān)視的傳感器可以在計(jì)時(shí)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)休眠，將轉(zhuǎn)換結(jié)果傳輸?shù)絻?nèi)存，更新指針和計(jì)數(shù)器，并且只有在準(zhǔn)備好處理一定數(shù)量的樣本時(shí)才喚醒處理器。添加比較（作為模擬比較器或數(shù)字值閾值監(jiān)視器）可用于使處理器無限期地保持睡眠狀態(tài)，直到出現(xiàn)“警報(bào)”或“警報(bào)”級(jí)別。這樣就可以節(jié)省所有喚醒，嗅探和恢復(fù)睡眠的能量。

圖2：可以監(jiān)視順序進(jìn)程的自治狀態(tài)機(jī)可以使內(nèi)核保持深度睡眠狀態(tài)以便延長周期，節(jié)省大量的電力使用。

在我們的示例微觀中仔細(xì)檢查的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是他們聲稱實(shí)現(xiàn)的實(shí)際待機(jī)電流。雖然這些都是很好的球場數(shù)據(jù)，可以幫助縮小場地范圍，但是要考慮到這些數(shù)字，因?yàn)樵S多其他因素會(huì)影響整體功耗。例如，我們的I/O狀態(tài)是什么時(shí)候微睡覺？這些功耗數(shù)字不包含在供應(yīng)商使用的任何低功耗數(shù)字中，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于我們?nèi)绾闻渲肐/O.如果我們驅(qū)動(dòng)兩個(gè)20 mA高電流I/O線，并且我們的睡眠電流為100μA，我們?nèi)匀辉陟o態(tài)和睡眠狀態(tài)下燃燒40.1 mA。

一些好的候選者

幾家MCU制造商低能耗和低功耗能力，我們有責(zé)任了解我們可以相信什么和不能相信什么。確定這些數(shù)字的方式比手頭的數(shù)字更重要。盡管如此，在尋找滿足我們性能需求且可以在低功耗模式下運(yùn)行的處理器時(shí)，已發(fā)布的規(guī)格和功能是一個(gè)很好的起點(diǎn)。例如，采用Atmel的SAM4Lx系列ARM?Cortex?-M4處理器其專有的picoPower技術(shù)。該48 MHz器件的有功電流消耗低至90μA/MHz。它宣稱其快速的1.5μs喚醒時(shí)間，這是一個(gè)重要的數(shù)字。此外，其等待和保持模式下，RAM保持的低功耗模式分別降至3和1.5μA。請(qǐng)注意Atmel用于RTC和器件的低功耗32.768 kHz時(shí)鐘。還可以接入慢速R/C時(shí)鐘以進(jìn)一步降低功耗。對(duì)于USB高速數(shù)據(jù)的突發(fā)，內(nèi)部PLL可以高達(dá)240 MHz，然后再次關(guān)閉以節(jié)省功耗。 100引腳ATSAM4LC2CA-AU具有80個(gè)I/O，其中包括6個(gè)高驅(qū)動(dòng)電流吸收源引腳，輸入電壓低至1.68 V.該器件僅消耗218μA/MHz（最高48 MHz），同時(shí)在低功耗模式下消耗6.9μA。

SAM4L內(nèi)部一個(gè)有趣的功能塊是產(chǎn)生時(shí)鐘和復(fù)位的電源管理模塊，并執(zhí)行 - CPU，高速總線和外圍總線時(shí)鐘的頻率變化（圖3）。屏蔽寄存器保持時(shí)鐘的分頻器電平，允許所有器件以不同的速度運(yùn)行以節(jié)省功耗。此外，當(dāng)發(fā)生即時(shí)頻率變化并且未使用的外設(shè)可以完全關(guān)閉時(shí)鐘時(shí)，不需要關(guān)閉外設(shè)或功能模塊。

圖3：CPU，總線和外設(shè)的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘更改通過專用的電源管理單元進(jìn)行控制，該單元也可以將時(shí)鐘完全關(guān)閉到未使用的外設(shè)。 br》此處還嵌入了其他幾種功率優(yōu)化外設(shè)和功能，包括膠合邏輯控制器，并行捕獲模式，帶窗口檢測的模擬比較器，以及獨(dú)立的外設(shè)事件檢測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)直接的外設(shè)到外設(shè)通信保持核心睡眠。

在可比較的規(guī)模上，讓我們看一下STMicroelectronics的STM32-L1系列。該部件采用超低泄漏工藝技術(shù)，功耗低。特別是，我們將研究STM32L151VBT6，它是具有83個(gè)I/O的100引腳版本。該器件的工作電壓低至1.65 V，工作頻率范圍為32 kHz至32 MHz，頻率為214μA/MHz。雖然它的喚醒時(shí)間《8μs并不像某些那么快，但它確實(shí)具有9μA的低功耗運(yùn)行模式。這里的一些不錯(cuò)的功能包括兩個(gè)超低功耗比較器和低功耗12-位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，速率高達(dá)1 Msample/s（當(dāng)VCC為2.4 V或更高時(shí)）。一個(gè)不錯(cuò)的“ZEROPOWER”上電復(fù)位可以與掉電復(fù)位電路緊密耦合，許多睡眠，貪睡和低功耗模式提供了一些靈活性，可以在核心和其他外設(shè)睡眠時(shí)保持某些外設(shè)處于活動(dòng)狀態(tài)。該器件還具有32.768 kHz時(shí)鐘和相當(dāng)靈活的時(shí)鐘分配方案。

德州儀器（TI）的一款有趣的低功耗產(chǎn)品值得關(guān)注。眾所周知的MSP430系列有幾個(gè)部件經(jīng)過優(yōu)化，可以降低能耗，例如100引腳MSP430F5436IPZR。雖然最低工作電壓僅為2.2 V，但它是一個(gè)16位內(nèi)部架構(gòu)（本質(zhì)上可以通過不必保持這樣的寬寄存器來節(jié)省能量），并且在待機(jī)模式下僅有1.8μA的RAM保留。

其低功耗存儲(chǔ)器的喚醒時(shí)間為5μs，電流消耗為226μA/MHz。該器件還提供低功耗振蕩器，最高可達(dá)18 MHz。 MSP430系列包括針對(duì)特定應(yīng)用組合各種外設(shè)的成員。不同的風(fēng)格包括12位A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部參考，采樣和保持以及自動(dòng)掃描功能。

提供一種有源模式，但提供五種軟件可選的低功耗模式，保持不同的功能和外設(shè)活。所有I/O端口的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度都是可編程的，可以定義多達(dá)10個(gè)8位I/O端口，以便于并行接口。

Digi-Key網(wǎng)站上的TI提供超低功耗MSP430培訓(xùn)模塊對(duì)于MSP430，以及其他幾個(gè)描述外設(shè)，設(shè)計(jì)工具，時(shí)鐘系統(tǒng)等的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊。

Silicon Labs提供了一個(gè)有趣且有效的低功耗處理器解決方案，其48 MHz Giant Gecko ARM 32位Cortex -M3，100引腳（86 I/O）處理器 - EFM32GG280F1024-QFP100。這部分以及Gecko部件系列的其他部件從頭開始設(shè)計(jì)，具有低能量外設(shè)（低能量UART，A/D，D/A等），快速喚醒（2μs），自主外設(shè)和嵌入式硬件，以促進(jìn)可延長電池運(yùn)行時(shí)間的低能耗模式。

在全功率模式下，一切都打開并運(yùn)行，該器件提供150μA/MHz的極低功耗。其他四種低功耗和睡眠模式使選擇的外設(shè)和RAM保持活動(dòng)狀態(tài)。此外，與同類產(chǎn)品中的其他幾款處理器一樣，Geckos采用靈活的時(shí)鐘方案，同時(shí)具有高頻和低頻晶振以及R/C振蕩器，可以為不同的時(shí)鐘提供時(shí)鐘和功率優(yōu)化。

Gecko MCU使用公司在部件內(nèi)部稱為反射總線的方式將自主功能提升到更高水平。這是一種基于狀態(tài)機(jī)的互連機(jī)制，類似于將指揮棒從一個(gè)外圍設(shè)備傳遞到另一個(gè)外圍設(shè)備，同時(shí)微睡眠。供應(yīng)商的LESENSE功能可以設(shè)計(jì)具有自主條件監(jiān)控功能的超低功耗傳感器接口。在不使用微控制器CPU的情況下，EFM32系列可以監(jiān)控16個(gè)傳感器并做出反應(yīng)，同時(shí)將能耗降至最低。 LESENSE低功耗傳感器接口還支持片上模擬比較器，運(yùn)算放大器和非常方便的事件檢測器。這允許復(fù)雜的事件鏈在低功率背景狀態(tài)下發(fā)生而無需喚醒核心處理器（圖4）。

圖4：組合幾個(gè)低能量這個(gè)例子說明了一個(gè)使用霍爾效應(yīng)器件的正交金屬傳感器，它不會(huì)喚醒處理器，直到進(jìn)行了一些相當(dāng)高級(jí)別的決策。振蕩器的頻率和幅度會(huì)有所不同，具體取決于金屬的存在。一旦有偏見，巧妙使用事件檢測器將告訴工程師我們正在尋找的事件已經(jīng)發(fā)生。然后我們喚醒我們的處理器。

Silicon Labs引用的另一個(gè)應(yīng)用示例是一個(gè)自振蕩電容式觸摸屏傳感器，它只在有效觸摸發(fā)生時(shí)喚醒主機(jī)處理器。以類似的方式，可以在核心休眠時(shí)監(jiān)控傳感器，并且僅在報(bào)警條件下喚醒傳感器。

更少可以更多

低能耗設(shè)計(jì)的最佳方法，尤其是大量I/O，硬件功能，資源和巧妙的編碼設(shè)計(jì)方法的組合。而不是FOR或WHILE循環(huán)，讓微睡眠和從定時(shí)器或事件喚醒它可以節(jié)省電力。

同樣，能夠在每個(gè)I/O上編程驅(qū)動(dòng)器強(qiáng)度，甚至禁用內(nèi)部上拉所以你可以使用更高價(jià)值的外部能量，有助于從你的能源中擠出每一微焦耳的能量。很高興知道這些部件隨時(shí)可以提供幫助，提供各種低能耗功能。