可延长电池寿命的新一代节能微控制器设计简介

一旦MCU被唤醒并执行应用代码，M3内核使用Thumb2指令集也有助于减少“活跃时间”。利用这样的紧凑型16位指令的双取指令功能，Thumb2ISA的效率非常高。

在减少电流×微秒(current-times-MICROseconds)产品时，MCU设计工程师需要部署更多策略。其中一个是不仅减少内核在实际处理应用代码时所花的时间，而且还要缩短唤醒刺激之间的创建(ramp-up)时间(无论是定时生成或事件驱动)，并且CPU正在准备做“真正的工作”。一种途径是最大限度地减少与内核时钟信号供应相关的启动时间。众所周知，当一个晶体振荡器从关闭状态中启动时，在作为一个系统时钟使用之前，它需要一些时间来稳定其输出。相反，一个RC振荡器作为MCU必须完成的所有任务的时基可能不够准确，但它会在开机后的几乎一瞬间产生有规则的输出。部分解决方案是缩短同时提供信号的时间。CPU在开机上电的同时就开始运行，由RC振荡器进行计时，而小型控制电路一旦稳定下来就将时钟源传到一个晶体振荡器上。RC振荡器输出中任何频率精度不够都不重要，因为使用它的周期相对较短。

简单任务无需MCU内核

尽管设计工程师非常小心地为一个高性能处理内核提供电源，并且在尽可能短的时间内实现了这个目标，但芯片设计师或系统设计师有必要问问给定任务是否需要这样的内核，即如果唤醒它只是执行简单任务的话，即使是最节能的内核也会浪费电池的电荷。我们再用环境传感器的应用作个例子，它可能需要定期测量，但只需在不频繁的时间间隔内将测量结果报告到中央数据记录器中。运行通信接口的软件堆栈一定会要求唤醒MCU内核，但这会更频繁地打开模数转换器，指挥A/D转换，并以低功耗内存积累结果。如果只要求外围设备设置在互连矩阵(图4)控制下自主运行的话，消耗的功率会更少。由于应用的差别很大，能够灵活地选择哪些功能模块来供电以及它们如何通信对充分利用这一概念非常重要。

图4：使用一个互连矩阵或“外围设备反射系统”可以执行简单的任务。

在电源预算中加密

众所周知，在现代CMOS半导体工艺中，为硬连接块IC增加功能的硅区成本相对较低。这产生了与直觉略微不一致的结果，为了把功耗降到最低，最有效的选择往往是增加门控数。利用先进的时钟树设计、时钟门控和片上电源开关等技术，IC设计工程师可以随时轻松地完全关断不需要的功能。这种方法的一个突出功能就是加密。即使是看似平常的数据现在也通过例行的加密来保证安全，通常采用被称为AES的算法。这对一个32位MCU内核而言不是一项具有挑战性的任务，但它确实占用了大量的处理器周期，延长了总的微安×微秒(MICROamps-times-MICROseconds)。这些周期中的大多数花在了执行算法中的一些内部循环计算上，增加一个AES加速器硬件模块可使MCU停止AES算法，转向专用硬件，MCU继续进行其他处理，并以更少的周期得到加密(或解密)结果。

迅速扩展的能源敏感应用类别(由少数高端类别如智能电能计量领导)重新定义了用电池驱动一个产品的意义。这些产品必须在单电池的驱动下提供服务，这一时间与电池本身的有效期一致，并与电池制造商规定的最大时间间隔(长达甚至超过20年)一致。只有一个高度集成的单芯片微控制器能为这样的设计提供一个现实的解决办法。

IC设计工程师十分注重低功耗芯片设计的每个方面，这样的IC架构现在可以提供现代、功能强大的32位处理器内核给产品设计工程师，同时尽可能地降低了功率要求。