現(xiàn)代微控制器系統(tǒng)的能耗

是否有一種策略可以同時(shí)應(yīng)用于基于 IP 的半導(dǎo)體產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體產(chǎn)品，允許設(shè)備用戶以簡單可靠的方式控制能耗，讓用戶全面了解操作，并保持安全和安全的條件？改進(jìn)的結(jié)果可能伴隨著對(duì)操作模式的控制程度的提高。

無論應(yīng)用在哪個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)今電子系統(tǒng)取得市場成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是最大限度地減少其能源需求。以電流或穩(wěn)態(tài)功率表示組件效率的傳統(tǒng)方法——每 MHz 微安 （μA） 或微瓦 （μW） 似乎不再適用。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)既不存儲(chǔ) μA 也不存儲(chǔ) μW，它們存儲(chǔ)“焦耳”——換句話說，就是能量。最新一代的超低能效 MCU 遵循與高性能處理器類似的電源管理策略；他們將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器與線性穩(wěn)壓器結(jié)合使用。

一個(gè)有趣的問題是，相同的供電方法是否可以在不通過軟件功能增加能耗的情況下用于各種應(yīng)用？用戶能否從應(yīng)用層面細(xì)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗最優(yōu)？能源配置優(yōu)化的應(yīng)用程序是否可行，是否可以在開發(fā)過程中和現(xiàn)場進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)、擴(kuò)展和調(diào)整？

一旦明確定義了應(yīng)用程序，能耗就可以與系統(tǒng)目標(biāo)保持一致。有一些眾所周知的方法可以在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)所需的控制水平。假設(shè)只有室溫下的靜態(tài)環(huán)境，這非常簡單。已發(fā)布的 MCU 數(shù)據(jù)表提供了適用于各種不同情況的數(shù)據(jù)。MCU 供應(yīng)商針對(duì)許多不同的場景和條件提供了 150 多種不同的電流參數(shù)。

對(duì)增加程序代碼和數(shù)據(jù)的內(nèi)存需求的快速增長是轉(zhuǎn)向更小的工藝幾何形狀的驅(qū)動(dòng)因素之一。這在活動(dòng)模式（RUN 模式）下提供了更低的能耗。然而，由于不需要的泄漏電流，在睡眠模式下繼續(xù)運(yùn)行的設(shè)備的能源需求顯著增加。這種影響在室溫下很顯著，在較高溫度下可能會(huì)很嚴(yán)重。

消費(fèi)電子產(chǎn)品的早期開發(fā)使用內(nèi)置在較小工藝幾何形狀中的硅，揭示了電壓和溫度對(duì)能量預(yù)算的影響。已經(jīng)開發(fā)了電源門控、電壓和頻率縮放來應(yīng)對(duì)這些因素。此類技術(shù)已成為 MCU/SoC 的低功耗標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，問題仍然存在：

供應(yīng)商使用了哪些方法和指南，哪些指南在我的應(yīng)用程序環(huán)境中很重要？他們匹配嗎？

哪種運(yùn)行模式對(duì)能耗的影響最大？

第一個(gè)因素是特定能量模式的持續(xù)時(shí)間（花費(fèi)的時(shí)間），考慮到每種模式對(duì)總能量消耗的貢獻(xiàn) - 以及動(dòng)態(tài)切換條件：

運(yùn)行模式 （1） 對(duì)能耗有直接影響——正在執(zhí)行的功能和代碼。

睡眠模式 （2） 具有其自身的特征級(jí)能耗 - 功能和代碼暫停，需要外部事件才能重新啟動(dòng)。

兩種模式（1 和 2）都會(huì)增加能源消耗——運(yùn)行模式和睡眠模式都會(huì)增加能源消耗。

非開/關(guān)可切換功能的切換條件

【圖1 | EEMBC 能源基準(zhǔn)有兩個(gè)階段。］

在廣泛使用的 EEMBC 能源基準(zhǔn)（基本序列如圖 1 所示）中，操作模式（1 - 活動(dòng)/運(yùn)行）執(zhí)行定義的代碼。用戶選擇工作模式，例如 LDO 或 DC/DC 電壓調(diào)節(jié)、工作頻率等。他們可以為自己的應(yīng)用選擇最低能耗的模式。具有 32 kHz 石英或振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能 （RTC/RTCC） 處于活動(dòng)狀態(tài)，代表能量消耗的第二部分。周期為一秒。該基準(zhǔn)衡量的是能源消耗而不是電流消耗。該基準(zhǔn)的未來幾代還將增加一個(gè)考慮開關(guān)損耗的因素。工作模式主導(dǎo)當(dāng)前MCU/SoC的能耗；在大多數(shù)情況下，較高的工作電流由較短的執(zhí)行時(shí)間來補(bǔ)償。在一秒鐘內(nèi)，開關(guān)損耗不起主要作用。然而，開關(guān)損耗的這一方面——圖 1 中的紅色陰影區(qū)域——正變得越來越重要。

【圖2 | 基本電源門控］

基本電源門控

圖 2 描述了電源門控的基本原理。關(guān)閉部分電路應(yīng)該可以減少漏電流損失。那些不需要的電流使電路中的電容放電：溫度越高，它們放電的速度越快。這些電容具有寄生和集成特性。它們將電流峰值導(dǎo)致的電壓降限制在安全水平。當(dāng)實(shí)施電源門控時(shí)，動(dòng)態(tài)能量消耗會(huì)惡化，并且開關(guān)條件會(huì)進(jìn)一步增加非生產(chǎn)性能量損失。在許多操作情況下，電源的開啟和關(guān)閉與電源門控并行。這進(jìn)一步增加了非生產(chǎn)性動(dòng)態(tài)和開關(guān)損耗。

哪種運(yùn)行條件對(duì)能耗的影響最大？第二個(gè)必須考慮的因素是系統(tǒng)環(huán)境，例如能源、溫度或溫度曲線。

能源提供對(duì)工作電壓的調(diào)節(jié)，例如通過線性調(diào)節(jié)器或DC/DC轉(zhuǎn)換器。在小型 MCU 中，通常一次只使用一個(gè)穩(wěn)壓器，但在高性能系統(tǒng)（多核 SoC）中，多個(gè)電源同時(shí)運(yùn)行。

當(dāng)能量損失（例如泄漏電流）占能量消耗的主要部分時(shí)，需要考慮溫度曲線。這可能發(fā)生在所有三種操作模式中。

向 MCU/SoC 用戶開放的選項(xiàng)

操作模式的不同功能通常由某種形式的電源管理器管理。初始設(shè)置和不同能量模式之間的轉(zhuǎn)換都是如此。操作模式是根據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)分區(qū)和設(shè)計(jì)以及 MCU/SoC 硬件的最終行為建立的。

目前存在的幾代低功耗模塊中提供的最終操作模式基本上是通過指令和能量模式位和數(shù)據(jù)調(diào)用的；以及用戶設(shè)置的控制位和控制數(shù)據(jù)。此外，可以提供軟件庫元素，例如 API。這些特性導(dǎo)致了面向應(yīng)用的節(jié)能系統(tǒng)和產(chǎn)品，但范圍可能有限。

夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)

在一家公司的許多應(yīng)用和產(chǎn)品線中，采用來自不同 MCU/SoC 供應(yīng)商的多個(gè)組件以及一系列能源來實(shí)現(xiàn)最大性能和應(yīng)用壽命。這些設(shè)備的能量模式和功能由指令和控制位/數(shù)據(jù)直接激活。是否可以通過嵌入在軟件代碼中的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)功能和能量模式的直接控制？對(duì)不同模式的訪問也可以通過僅由監(jiān)督模式通過中央程序（例如操作系統(tǒng)或電源管理器）訪問來確保安全。受限訪問通過將系統(tǒng)帶入關(guān)鍵操作條件的模式更改來提供安全操作。軟件定義的能源情況是靈活的；但從能源的角度來看，經(jīng)常改變操作模式的軟件解決方案不是最佳的。每個(gè)代碼執(zhí)行都使用（激活）MCU/SoC 硬件的主要部分，并具有相應(yīng)的能量需求。

在 MCU/SoC 中防止不必要的訪問仍然是一個(gè)主要目標(biāo)，但尚未完全實(shí)現(xiàn)。它仍然需要軟件。不涉及具有不涉及代碼執(zhí)行的中斷或事件驅(qū)動(dòng)情況的應(yīng)用程序。每個(gè)軟件執(zhí)行都需要能量，因?yàn)樗鼈儠?huì)激活主要的硬件模塊，例如主存儲(chǔ)器、總線系統(tǒng)、內(nèi)核中的代碼執(zhí)行等。

【圖3 | 能源概況；能量模式之間的頻繁變化讓開關(guān)電流成為主要的能量損失（紅色區(qū)域）。簡而言之，它消耗能量而對(duì)應(yīng)用程序沒有好處。此外，如果使用軟件來切換模式（場景 1c），則會(huì)增加能源浪費(fèi)。］

在現(xiàn)實(shí)生活中，用戶想要決定他/她的操作模式。硬件提供商定義基本模式，然后用戶設(shè)計(jì)他/她自己的操作模式并使用它們（如何、何時(shí)、何地等）。此外，這些操作模式存儲(chǔ)在定義的位置，可以編輯或不可編輯，甚至可以添加新的客戶定義的操作模式。操作模式可以是專用的、受保護(hù)的，并分配給定義的硬件和軟件部分。此外，在沒有任何軟件支持的情況下可以在中斷期間使用相同的模式（從而減少能源需求）。

通常，定義的操作模式描述靜態(tài)、穩(wěn)定的模式，例如運(yùn)行、空閑等。這里提出的方法額外管理模式變化的過程，尊重各種動(dòng)態(tài)行為，并包括從源模式到目標(biāo)模式的安全轉(zhuǎn)換。如果無法執(zhí)行或僅部分執(zhí)行此類轉(zhuǎn)換，則安全轉(zhuǎn)換需要包括安全響應(yīng)（例如，對(duì)錯(cuò)誤處理程序）——此時(shí)安全狀態(tài)也是必不可少的。

包括電源管理在內(nèi)的操作模式依賴于數(shù)據(jù)，而不是固定于僅供應(yīng)商定義的行為或僅供應(yīng)商定義的控制數(shù)據(jù)和位。取決于應(yīng)用程序的參數(shù)可以存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)。如果外部條件發(fā)生變化，只有數(shù)據(jù)內(nèi)容會(huì)發(fā)生變化，用戶代碼不會(huì)發(fā)生變化。

【圖4 | 應(yīng)用受控操作模式策略對(duì)能量分布的影響。］

必要的操作模式可以以盡可能低的能量消耗執(zhí)行，如在睡眠模式中。不同之處在于避免了主要的開關(guān)損耗！無需軟件參與即可更改模式；例如，將操作模式的頻率調(diào)整為可用的能源（例如低功耗 LDO）。

結(jié)論

操作模式可以組織給定系統(tǒng)架構(gòu)的操作，而不僅僅是功率或能量模式。系統(tǒng)架構(gòu)控制不同功能塊的協(xié)作，包括操作模式的動(dòng)態(tài)方面（例如，它們對(duì)電源變化、穩(wěn)定條件等的響應(yīng)）以及從一種模式到另一種模式的變化。模式之間的轉(zhuǎn)換由參數(shù)決定，并且可以在不更改操作模式管理器的情況下安全地適應(yīng)新要求。

安全操作參數(shù)可以是操作模式數(shù)據(jù)的一部分。分配所有或部分操作模式數(shù)據(jù)的所有權(quán)的參數(shù)也是數(shù)據(jù)的一部分。此外，由于操作模式數(shù)據(jù)可能位于存儲(chǔ)器中，因此可以使用例如眾所周知的 MMU 方法來保護(hù)它們。一個(gè)示例是，屬于應(yīng)用程序或其一部分的此類數(shù)據(jù)可以與程序代碼和數(shù)據(jù)位于相同的封裝內(nèi)存中。支持運(yùn)行模式數(shù)據(jù)集的生成，包括安全運(yùn)行的驗(yàn)證，可支持高級(jí)工具集。

審核編輯：郭婷