如何实现和构建MCU的CPU提供超低功耗操作

　　反映全球低功耗趋势，微控制器制造商正面临越来越大的压力，以降低其 MCU 的功耗；当前的“沙中线”为 100 μA/MHz。

　　但为什么这对原始设备制造商来说变得如此重要，更重要的是，这在实践中的可实现性如何？IDM 为实现超低功耗运行做了哪些工作？选择具有低功耗特性的设备只是故事的一部分。同样重要的是如何实现和构建 MCU 的 CPU 以提供超低功耗操作。

　　本文将着眼于这一趋势，考察德州仪器（ MSP430FR5720 ）、飞思卡尔（ MKL15Z128VLK4-ND、MKL2​​5Z128VLH4-ND ）、NXP （ LPC1100L ）、Energy Micro （ Gecko ）、Atmel （ UC3 L 系列） 和Silicon Labs （ SiM3Lxx ），并查看现有解决方案，这些解决方案可能同样能够通过良好的设计实现超低功耗运行技巧。

　　迄今为止，OEM 从 8 位微控制器到 32 位微控制器的迁移路径主要基于中长期观点，即假设应用程序只会变得越来越复杂，因此在某些时候需要采用更强大的架构。

　　这个论点通常被简化为“软件级别的复杂性不断提高”，其中大部分是有根据的；近年来取得的许多效率提升主要是通过工业控制应用中使用的更复杂的算法实现的。此外，OEM 现在需要更高级别的连接，这通常需要复杂的协议。很少有人会争辩说，功能更强大的微控制器 （MCU） 能够轻松集成这种复杂性和连接性，无需额外的分立器件即可提供显着优势。

　　曾经属于微处理器领域的现代 32 位架构现在支持一系列功能强大且功能强大的 MCU，其特点是在 MCU 中部署 ARM® 的 Cortex™-M 系列内核，现在成本低至 0.50 美元/每个在生产量。然而，自问世以来，32 位 MCU 就面临着整个行业的强烈抵制。通过 32 位产品的发展和改进，阻力已被系统地削弱。32 位设备在很多方面都比 8 位设备做得更好。

　　然而，最新的，也许是最长的争论点是功耗。诚然，您不会白白得到任何东西，并且某些应用程序能够接受系统功率的整体增加，如果它能够实现客户价值的整体和相应的增加，这反过来可以提供竞争优势或提高利润率。然而，一些应用程序——尤其是那些由低端 MCU 服务的应用程序——无法接受增加的系统功率，设备制造商正是在这里集中精力进行改进。

　　最新的攻击角度是强调有功功率，即 MCU 实际执行某些操作时消耗的系统功率量。有功功率是 32 位 MCU 的“房间里的大象”，因为它们通常以比 8 位设备更高的频率运行，主要是因为它们的 RISC 指令周期比 8 位“获取-执行”方法更复杂。

　　因此，工程师们开始看到声称提供低于 100 µA/MHz 有功功耗的 32 位器件。虽然这无疑可以节省整体系统功耗，但它仍然是一个相对术语。许多 32 位设备的运行频率约为 80 MHz，使有功功率高达 8 mA，并将其带回到旧 8 位设备的范围内。那么设备制造商还使用哪些其他方法来最小化 32 位设备的功耗呢？

　　核心优势

　　当使用像 ARM 的 Cortex-M 系列这样的商品化 IP 时，很难在内核级别进行区分。然而，并非所有设备制造商都针对其超低功耗产品在此架构上进行了标准化。德州仪器 （TI） 继续推广其 16 位系列 MSP430 的优势，该系列现在具有超低功耗版本，代号为 Wolverine （MSP430FR57xx）。

　　该系列的独特之处在于它用传统的嵌入式闪存替代了不太传统的 FRAM（铁电 RAM）。TI 声称，与基于 32 位闪存的器件相比，这显着降低了系统功耗，使其有功功耗低于“100 µA/MHz”行业基准。例如，MSP430FR5720记录为提供 81.4 μA/MHz 的典型功耗。

　　在 ARM 阵营中，飞思卡尔和 NXP 现在都提供基于最新 Cortex-M0+ 超低功耗内核的设备，这两款产品都声称达到了低于 100 µA/MHz 的功率点。两者都已经在市场上提供低功率产品。

　　飞思卡尔凭借其 Kinetis L 系列率先将其 Cortex-M0+ 部件（由于是 ARM 新架构的主要设计合作伙伴）推向市场。Digi-Key 提供一系列 Kinetis L 设备，包括MKL15Z128VLK4-ND和MKL25Z128VLH4-ND. 飞思卡尔 Kinetis L 系列中的所有器件都具有运行频率高达 48 MHz 的 Cortex-M0+ 内核，该内核集成了一系列时钟模式，可在软件控制下将开关活动限制在内核的不同部分。正确理解和使用这些时钟模式可以显着降低器件消耗的有功功率。

　　恩智浦最近发布了其 Cortex-M0+ 系列，已经提供了一系列基于现有 Cortex-M0 内核的 MCU，包括LPC1100L系列。尽管该系列采用较旧版本的内核，但它仍然提供 ARM 固有的以功耗为中心的低功耗处理方法，并集成了一系列功能以最大限度地降低有功功耗。

　　例如，LPC1100L 集成了许多预配置但灵活的“电源配置文件”，可以修改和控制设备的时钟域。它们以驻留在设备 ROM 中的软件例程的形式呈现，这意味着配置文件可以通过应用程序代码中的简单 API 调用来启动。它们旨在提供 CPU 性能、CPU 效率和有源电流的最佳组合，在整个电源电压范围（1.8 V 至 3.6 V）内提供最大工作频率。API 的重点是降低有功电流，同时保持 CPU 性能提高，NXP 声称基准测试显示，通过使用电源配置文件，功耗降低了 30%。

　　NXP 的低功耗 LPC1100L 系列基于较旧的 Cortex-M0 内核，集成了一些出色的低功耗技术。

　　然而，正如接下来将要展示的，除了优化的内核之外，设备制造商还可以采用许多其他技术来降低有功功率。

　　外设视觉

　　虽然原始处理能力在 MCU 应用中变得越来越重要，但任何微控制器的关键属性仍然是其外设集。在传统架构中，内核及其外围设备以“握手”方式协同工作，其中数据从外围设备传递到内核，然后通过外围设备返回到更大的系统。

　　尽管这种方法在响应时间和吞吐量方面无疑是有效的——并且完美地描述了 MCU 的初衷——但它反映了典型应用要求不高且工程师开发节能解决方案的压力较小的时代。现代 32 位 MCU 现在针对要求更高的应用，同时努力保持“低功耗”，这个术语越来越被过度使用和不合理。然而，大多数制造商都明白，如果 MCU 系列不完全满足低功耗操作的需求并提供创新技术来实现它，超出内核，他们不太可能获得设计胜利。一个越来越流行的解决方案是减少核心做任何事情的需要，前提是核心可以保持不活动的时间越长，较低的整体功耗将保持不变。该理论正在通过能够自主运行的外围设备实现。

　　随着此功能的发展，制造商已对其进行了扩展，以允许外围设备在内核保持深度睡眠模式时相互交互，甚至可以通过标志和寄存器修改自己的行为。

　　该领域的先驱是 Atmel 及其 picoPower 技术。Atmel 实施 picoPower 的第一个 32 位系列是UC3 L 系列，它基于其专有的 AVR 内核。它使用 DMA（直接内存访问）控制器，允许外设通过专用且确定性的背板相互传递数据，使其适用于实时应用程序，但无需使用内核。

　　另一家实施自主外围设备的制造商是 Silicon Labs，他们开发了SiM3Lxx基于超低功耗 ARM Cortex-M3 的系列，将这一概念更进一步，引入了数据传输管理器 （DTM） — 允许在多个阶段配置和控制多个外设，而无需任何 CPU 干预。DTM 使用状态驱动配置增强了标准 DMA 的更基本功能。

　　Silicon Labs 的 Precision32 系列是该公司的第一款 ARM Cortex-M 产品，具有自主外围设备。

　　睡眠行走

　　自主外设的主要目标是让 MCU 的内核更长时间地保持在更深的睡眠状态。在许多应用中，MCU 是反动的；只有在对外部刺激做出反应时才需要操作。将初始处理和决策转移到更“智能”的外围设备，这些外围设备仅在刺激满足预定参数时才唤醒内核，从而无需定期唤醒内核以检查可能发生的事件的“内务管理”循环。另一方面，自主外围设备会在需要时产生中断，让内核进入睡眠状态。

　　Energy Micro 是最早采用这种方法的制造商之一，它在其“超低功耗”MCU 系列中使用了 Cortex-M3 内核。Gecko系列实现了在内核和主系统时钟有效关闭时保持活动的自主外围设备，而是依靠独立的较低频率时钟源来保持外围设备活动，而无需内核干预。当启用中断请求功能时，自主外设仅在需要处理数据时才能唤醒内核。

　　Energy Micro 是自主外围设备的先驱，现在提供其 Gecko 系列的封装越来越小。

　　Atmel 的 picoPower 技术也包含此功能，它实际上将其称为 SleepWalking。本质上，它使外围设备能够根据外围设备的能力做出“决策”；例如，如果输入超过预先配置的限制，ADC 可以启动中断。

　　这些功能是对现代 MCU 中现有标准过多的睡眠模式的补充，尤其是那些具有 32 位内核的睡眠模式。虽然 ARM 负责其中许多低功耗模式，但制造商通常需要实施一个系统范围的解决方案，该解决方案考虑到将内核置于睡眠模式的影响。最终，这意味着从内核及其子系统内的各个域中移除电源和/或时钟信号。为外设提供单独的时钟域现在被视为“标准”，但它仍然是一项相对较新的功能，并且由于需求减少，8 位设备可能不太可能开发该功能，并且可能认为 8 位的寿命设备。

　　概括

　　具有讽刺意味的是，尽管设备制造商竭尽全力将 OEM 迁移到更高性能的 32 位 MCU 架构，但设备制造商仍然需要付出巨大的努力，以使这些设备尽可能长时间地保持非活动状态，同时在它们运行时保持非常低的功耗。变得活跃。然而，这种二分法只能通过增加核心级别的设备功率和通过更复杂的外围设备来实现。如果投资于 8 位架构，这种水平的设计努力似乎不太可能获得回报，这意味着他们的日子真的屈指可数——无论行业是否喜欢。

　　当然，设备制造商致力于持续供应；许多 8 位器件用于工业应用，它们的商业寿命已经很多年了，制造商不太可能在没有充分理由的情况下强迫客户迁移到 32 位系列。

　　虽然下一波 MCU 将以更低的有功功率（目前为 100 µA/MHz）展开竞争，但市场上已经有多种低功耗解决方案可以量产，这让工程团队相信无论他们采用何种解决方案选择，它很可能在路线图上进一步降低功耗。