快速唤醒能力攸关节能效益 - 低功耗MCU发威 智能手表电池寿命大增

　　快速唤醒能力攸关节能效益

　　前面有提到，为了要让电池维持更长的寿命，在智能手表的系统设计上，中央微控制器大部分时间必须维持在睡眠模式，因此如果能降低中央微控制器睡眠模式的功耗，将有助于进一步降低系统的总体功耗。

　　可是，如果总是要花很长时间从睡眠模式中唤醒系统，这并非真正的节能。设计人员的终极目标是要确保能快速将系统从睡眠模式中唤醒，并且能根据系统需求，有弹性地选择不同睡眠模式，这样一来系统就可以尽可能在深度睡眠模式中停留更长的时间，而不会出现性能上的延迟，这才是真正的节能。

　　如前文所提及的SAM4L微控制器系列，具有来自于picoPower技术的超低睡眠模式电流特性，可以支援四种睡眠模式：睡眠、待机、保存和备用。在所有的模式下，以第一条指令抓取的唤醒，即使在最低功耗的睡眠模式下醒来，也只需要1.5微秒（μs）的唤醒时间（图4）。

　　

　　图4 SAM4L微控制器在睡眠模式下的功耗表现

　　该系列还具有非常灵活的唤醒配置。设计人员可使用内部的电源管理器和备用电源管理，来开启和关闭系统时脉来源，并选择唤醒来源。时脉来源由电源管理器控制，包括on-chip RC振荡器，以及振荡器和超精密数位相位锁相环（DFLL）。在睡眠、待机和保存模式下，可以选择任何来源以唤醒系统。

　　接下来将提及的梦游（Sleep Walking）功能，也允许周边功能在不须要系统定时器持续运行的情况下，以非同步方式唤醒系统；而在备用模式下，32kHz时脉或系统定时器，再加上通用异步收发器（UART）、外部中断或电压不足侦测（BOD）警告，便能唤醒系统。

　　事件系统/梦游功能　进一步降低系统功耗

　　事件系统（Event System）允许外围周边直接发送讯号或事件到其他周边，而毋须藉由中央处理器（CPU）。举例而言，定时器溢位（Timer Overflow）或类比比较器输出如有变化，不需要CPU即能触动类比数位转换器（ADC）转换或启动直接记忆体存取（DMA）传输。那么事件系统能解决什么问题呢？

　　首先，事件系统能让CPU进入更长时间的睡眠或闲置状态，提升节能效果。再者，它能让外围周边不须透过CPU即可互相通讯，因此CPU可以更集中执行非CPU不可的任务，进而提升CPU表现。事件系统能提供事件一个恒定且100%可预测的反应时间--在两个时脉周期或 40奈秒（ns）内发生反应。如果是先藉由软体程序的中断，再透过CPU来执行相同的任务，则可能需要数微秒（μs）的反应时间。此外，该系统允许多达八个周边同时平行处理，因此不须要担心中断拥塞的情况发生（图5）。

　　

　　图5 在事件系统运作下，周边可不透过CPU而互相通讯。

　　除了标准的同步事件之外，事件系统亦支援非同步事件。非同步事件甚至可以在系统时脉未运行的情况下，在各种睡眠模式下执行。这是透过一些先进的电源管理器功能来达成的，例如梦游功能和非同步唤醒功能。

　　梦游功能允许外围周边透过请求模组的局部时脉，而不用系统定时器持续地运行或非同步地唤醒元件，并且可以让事件系统在各种睡眠模式下处理非同步事件。事件处理完成后，模组局部时脉的请求便会解除，让模组回到睡眠状态。简而言之，梦游功能帮助系统进一步降低功耗，不须要妥协于反应时间，或是为了降低系统功耗而免去一些跟系统安全性有关的监测功能。

　　接着举一个将梦游功能应用于智慧管理外部温度量测的实例。该应用须要定期测量温度，以决定它是否超过系统临界温度。如果超过，该温度读数会被储存在静态随机存取记忆体（SRAM）中，并交由CPU处理该数据；如果没有超过，则系统会继续维持在睡眠模式，CPU不会被唤醒或采取任何行动。

　　梦游功能让CPU在整个事件过程中保持关闭状态。首先，利用即时计数器（RTC）在固定的时间间隔下产生一个事件（测量温度），同时利用梦游功能来唤醒ADC进行温度测量，并比较该温度和预设临界值。再来，ADC确定温度没有超过临界值后，便会回到睡眠状态。接着重覆以上的程序，继续唤醒下一个ADC，量测到温度上升到临界值之上，CPU才会被唤醒。最后，DMA控制器将数据传送到SRAM以进行处理（图6）。

　　

　　图6 梦游功能的应用范例

　　相较之下，传统的微控制器在执行同样的应用监测例子时，由于没有梦游功能，所以每一次都必须唤醒CPU来指示ADC去量测温度，以确定系统温度是否超过临界值。但大多数的情况下，测量温度都不会超过临界值，更不须要再执行什么动作，如此反覆操作将耗去很多能量。即使这是一个在多数时间都处于睡眠模式的系统，却仍然产生很大的能量损失，大幅降低电池寿命。可以从图7中很明显地比较出来，具备梦游功能的微控制器，消耗的能量远远小于传统的微控制器。

　　

　　图7 MCU具有梦游功能时的功耗

　　完美的智能手表也许不存在，毕竟不同的人有不同需求。有些人喜欢时尚精简的手表，有的喜欢支援强大功能、带有触控大表面的手表，不过有些条件，例如延长电池寿命则是无论如何都不能缺少的。

　　如果设计人员能选用在工作和睡眠模式下功耗较低、能在最短的时间内从睡眠中被唤醒，同时带有独特低功耗特性，如事件系统和梦游功能等的微控制器，想要设计出不须在性能上做任何妥协即可执行强大功能的应用软体，并同时拥有持久电池寿命的智能手表，将不再是一个不可能的任务。