高能效入门级MCU 定义全新低功耗

引言

在经常提及物联网 (IoT)的新时代——数十亿的“智能终端”，预计在未来十年内会把各种应用与设备都连接起来——嵌入式技术不再仅仅限于以机械方式生产基本商品。物联网是数据和控制自动化的时代，互连设备和节点收集信息并与智能系统进行通信，实时解决问题(例如当系统检测到无人在家时会自动调整恒温器)。嵌入式技术的本质便是将传感、处理和连接结合起来使IoT变成现实。

人们对功能性、连接性及便携性的需要呈指数级增加，而大众市场电池技术尚未能同步前进，无法满足市场需求。终端节点通常采用电池供电，需要具有极长电池寿命才能保证稳定可靠兼且保持较低成本。一方面能耗预算决定了新产品的最终设计，而市场方面又不允许制造商降低性能。设计人员面临的挑战是，必须以相同甚至更低的能耗预算实现更高的性能目标。

高能效的整体趋向

越来越多的“智能技术”产品需要满足用户的更多功能要求，而仅仅通过查看原始数据表上的数字来判断能效的方法已经无法提供充分有力的参考。能耗预算需要考虑“低功耗”，或者在提供特定功能时消耗了多少电流，此外，还需要考虑更多的要素“能源效率”或者说一段时间内的能耗。换句话说，我们必须查清楚在单位时间内完成指定任务的耗电量是多少。

在嵌入式系统中，低功耗才是王道，目标是更高能效的通过多任务的管理去完成一个应用程序。这些任务通常可以概括为三个阶段：初始化阶段、控制阶段(其中可能包括数据采集、通信和控制)及计算阶段。在这三个阶段降低能耗的公式非常简单，用更少的能源和时间完成更多操作(能耗= 功率 x 时间)。要真正实现目标不只优化其中一个阶段，而是需要优化所有阶段。

在所有阶段实现节能有三个要素。首先，必须少激活和低待机功耗。其次，必须具有节能外设，这些外设要智能的、在不一直唤醒CPU的前提下采集、处理并存储数据。第三，必须减少计算阶段的处理时间，以返回深度睡眠模式，然后再重新开始整个过程。

飞思卡尔深入研究了MCU的所有阶段和各个方面，目的是解决更大的问题：你怎样用更少的能耗去做更多操作?结合整体观念来考虑能效问题对目前市场来说还比较新颖。飞思卡尔致力于帮助客户从这种新方法中获益。

Kinetis L 系列：全球能效最高的32位MCU

飞思卡尔几十年来不断关注新兴应用趋势并为客户开发解决方案，并充分利用这些经验，致力于为更广泛的应用提供高能效的产品解决方案。Kinetis MCU产品组合提供卓越的低功耗性能，并具有智能功能集成、广泛的外设及高扩展能力等优势。多个Kinetis MCU家族，其中Kinetis L系列在内是飞思卡尔高能效解决方案的最佳典范。

Kinetis L 系列MCU是 Kinetis 产品组合内新上市的产品，与同类入门级MCU相比，大大改进了功能和效率，能够在初始化、控制和计算阶段显著提高能效。请注意查看图1所示的能效，该图用橙色表示Kinetis L 系列的能耗曲线对比用褐色曲线的其他同类产品。

图 1：Kinetis L系列MCU可在应用的所有阶段，即初始化、控制和计算阶段，大大提高能效。

在开发Kinetis L系列的过程中，重点围绕一个看似简单的概念：如何在没有CPU干预的情况下采集数据，然后快速唤醒MCU，尽可能快速、高效地执行相关功能，然后返回睡眠模式?最后实现的结果是大大降低了曲线下方整个板卡的能耗(参见图1)，为达到这个结果，我们采用了ARM Cortex-M0+ 处理器，为多个用例使用了超低功耗模式，还有节能型架构技术以及一系列智能功耗管理的自主外设。

突破性设计：10 种灵活的功率模式

传统的MCU过去只采用三种电源模式：运行、睡眠和深度睡眠。然而，这种“以一概全”的思路对于嵌入式产品并不适用，因为嵌入式产品有多种不同的电源配置。飞思卡尔设计团队充分利用飞思卡尔在MCU方面的丰富经验，并基于常见示例考察了多种潜在应用和情景，进行了全面、深入的分析。

分析结果表明，Kinetis L 系列MCU将传统的3种电源模式扩展为10种灵活的模式，能够支持多种应用用例，从而减少了能源曲线下方的面积，大大提高了能效。当逐步进入深度睡眠模式时，MCU开始在功能上为更多逻辑和内存控制功耗，同时还减少节能外设。

*计算操作启用：3.6 mA @ 48 MHz 内核 / 24 MHz 总线)

**计算操作启用：144 uA @ 4 MHz 内核 / 1 MHz总线)

a 部分Kinetis L 系列设备上提供

表 1：Kinetis L系列MCU将传统的电源模式扩展至10种灵活的模式，支持各种应用用例。

表 2：初级电源模式术语

通过系统架构创新提高能效

Kin