设计低能耗嵌入式系统

第一部分硅芯片选择

简介

设计低能耗系统时，我们需要关注一些非传统因素，这些因素涉及范围从硅芯片生产工艺技术，到基于单片机的嵌入式平台上所运行的软件。通过对系统层面的深入分析，本文讨论决定MCU能效的三个关键参数：工作模式功耗、待机模式功耗和占空比(他决定各种状态下所占用的时间比率，由软件自身来决定)。

低能耗待

机状态使MCU看上去具有超高能效，但事实是，只有考虑了控制工作模式功耗的所有因素后才能决定MCU的能效状况。总之，对于处理工艺、IC架构和软件结

构选择的权衡是十分微妙的决定因素，有时会出现意想不到的结果。此外，单片机上功能模块相结合的方式对整体能耗加以动态影响。即使对硬件实现看似小而轻微

的改变，都可能会导致系统运行周期中整体能耗的大幅波动。

低能耗应用

举几个应用示例。测量和报警系统通常由单电池供电，并具有约10年的生命周期。在传感器读取操作上(在产品生命周期中可能发生几亿次)，小小的电流消耗增

长就可能会导致产品的实际使用寿命减少几年。而一个简单的烟雾报警器，需每秒检测一次空中烟雾粒子是否存在，在其生命周期中将要执行3.15亿次读取操

作。

简单烟雾报警器的工作比例或占空比是相当低的。每次传感器读取操作可能花费时间不超过几百微秒，而大部分时间都消耗在其他方面，包括：校准和准备过程，单

片机唤醒模数转换器(ADC)和其他感应模拟器件，并等待其达到稳定状态点的时间。在这种情况下，工作周期可能导致设计中的非活动状态时间大约占总时间的

99.98%。

传统的烟雾报警器比较简单。我们来看一个更复杂的RF设计，此设计中，数据结果通过传感器网状网络传输到主机应用中。传感器需要监听主节点的工作状态，由

此他可以发信号表明自己仍然在网状网络中，或者为路由器提供当前所捕获信息。额外的工作不一定会影响整个占空比，相反，在活动周期中，使用更高性能的装置

还可以执行更多功能，因为高性能装置提高了处理速度(可通过使用更先进的架构和半导体技术实现)，与运行更多周期的慢速装置相比，快速装置具备更高能效。

设计关键在于理解工艺技术、MCU架构和软件实现之间的相互作用。

第一部分：硅芯片选择

CMOS能耗分布

几乎所有的MCU都通过CMOS技术实现。任何工作逻辑电路的功耗可由公式CV2f决定，其中：C代表装置中开关电路路径上的总电容，V代表供电电压，f

代表操作频率。参见图1，电压和电容是生产工艺技术相关的因子。在过去的三十年中，CMOS逻辑的片上操作电压已经从12V下降到2

V以下，同时晶体管体积也大大缩小。因为电压在工作功耗方程式中是二次函数，因此使用较低电压将对功耗带来显著的影响。

电容作为可使总功耗降低的一项因子，虽然是线性，也大大受益于摩尔定律。对于给定的逻辑函数来说，更先进的生产工艺可提供比之前更小体积的电容，并且可获得更低的功耗。此外，还有一种先进的设计技术可以降低整体开关频率，这种技术被称为时钟门控。

与其他技术相比，CMOS可以极大降低能源浪费，但同时存在漏电损耗。与工作模式功耗相比，漏电损耗以摩尔定律速率来增加，在所有低能耗应用中都要加以考

虑，因为他与低占空比系统的非工作时间成正比。然而，和工作模式功耗一样，电路设计对真实漏电损耗产生动态影响。类似时钟门控，功率门控也能够大大减轻漏

电损耗的影响，采用更多先进工艺的节点是低占空比系统的更好选择，即使是旧的工艺技术也可以获得更低的理论漏电损耗量。

适用的生产工艺技术

每一个特性集都有合适的生产工艺技术。关键在于，当装置长时间处于休眠模式时，仅仅依赖一种具有最低理论漏电损耗的生产工艺技术是不够的。在休眠模式，可

以禁止为MCU中大部分部件供电，把漏电组件排除在方程式之外。当电路处于工作模式，漏电损耗是一个大问题，简单的方法是利用更先进和高效的晶体管所带来

的优势进行弥补。

举例来说，与专用低功耗180nm生产工艺的漏电损耗相比，90nm生产工艺所产生的漏电损耗高五倍，但工作模式功耗低4倍，这是基于一个相当大的数值来

计算。假设一个180nm工艺的单片机，其具有40mA工作电流消耗和60nA休眠模式功耗，与采用90nm工艺实现的功耗级别相比，90nm工艺单片机

工作电流功耗可降低到10mA，但是休眠模式电流却达到300nA。

在上面的例子中，对于90nm工艺MCU来说，为了获得更好的整体功效必须有0.0008%的活动时间。换句话讲，如果系统每天有1秒钟活动时

间，90nm版本的功效大约是180nm版本的1.5倍。由此可以发现，当选择一种生产工艺时，了解应用占空比是十分重要的。(参见图2。)

一旦