低功耗系统设计全方位解析：从硅片工艺到嵌入式软件 - 全文

　　低功耗系统设计需要注意很多非传统性因素，从硅片工艺技术，直到在微控制器嵌入平台上运行的软件。在系统级做仔细检查可揭示出决定微控制器能效的三个主要参数：有源模式功耗；待机功耗；以及工作周期，后者决定了两种状态上所花时间的比率，而这个比率则取决于软件的行为。

　　低功耗待机状态可以使一只微控制器看似非常高能效，但只有考虑了影响到有源功耗的所有因素后，才能证明其最终性能。

　　低功耗待机状态可以使一只微控制器看似非常高能效，但只有考虑了影响到有源功耗的所有因素后，才能证明其最终性能。鉴于这个和其它原因，工艺技术、IC架构以及软件结构之间的权衡就是一些决策问题，有一些微妙和有时无法预期的结果。一个MCU中各功能块相互结合的方式，对整体能效有显着的影响。即使硬件实现上看似微小的改变，也可能致使一个系统生命周期内的总能耗发生巨大的波动。

　　低功耗应用

　　举例来说，读表与报警系统，通常一节电池要供10年电。某只传感器读取功耗的少许增加（在产品的生命周期中，这种读数动作要发生上亿次），就可能使产品的实际现场寿命减少数年时间。一只简单的烟雾警报器，每秒要探测一次空气中的烟尘粒子，在其生命周期内完成3.15亿次读取。

　　一只简单烟雾报警器的活动比率（或工作周期）还相对算低的。每只传感器读数时可能花费时间不到数百毫秒就能完成，大部分时间花在当MCU唤醒ADC以及其它敏感模拟元件时的校准和安定上，以使它们达到一个稳定的工作点。在本例中，工作周期是设计的关键，这个设计在约99.88%的时间中是处于不活动状态。

　　传统的烟雾警报器还算比较简单。考虑一个更复杂的RF设计，它有一个传感器网格，将读数结果转发给一个主控应用。传感器需要从一个主结点聆听活动情况，这样一方面可以通告说自己仍然在网格网络中，或者将最新捕捉的信息发送给路由器。不过，增加活动可能并不影响整个工作周期；相反，采用更高性能的器件，可以在每次激活期间完成更多功能。由于更先进架构与半导体技术，使得处理速度的增加成为可能，较快器件可以提供更高的能效，而较慢器件则要运行更长周期。重点在于了解工艺技术、MCU架构，以及软件实现之间的交互作用。

　　硅选择

　　CMOS能耗数据。几乎所有MCU的实现都使用了CMOS技术（图1）。任何激活态下逻辑电路的功耗都可以用公式CV2f表示，其中C是器件内开关电路路径的总电容，V是电源电压，而f是工作频率。电压和电容都是所采用工艺技术的因素。过去三十年以来，CMOS逻辑的芯片工作电压已经从12V降到不足 2V，原因是晶体管尺寸的缩小。鉴于电压在有源功耗的公式中是一个二次项，因此电压的降低有明显的作用。

　　

　　尽管电容项是线性的，但摩尔定律的缩小也非常有利于降低其整体水平。对于一个给定的逻辑功能，更先进的工艺可提供较低电容，从而获得较前代更低的功耗。另外，先进的设计技术能够实现时钟门控，这样只有完成实际任务的电路才工作，从而降低了总体开关频率。

　　与其它技术相比，CMOS显着降低了浪费的能量；但是，泄漏电流仍然存在。与有源功耗相反，泄漏功耗会随摩尔定律尺度的缩小而增加，在任何低功耗应用中都要考虑它的因素，因为对于一个低工作周期系统，大部分时间是处于非激活状态。但对有源功耗，电路设计就对实际泄漏有重要影响。与时钟门控类似，电源门控可以大大改善泄漏的效应，使更先进工艺结点成为低工作周期系统的较好选择，尽管理论上较老工艺技术能够提供更低的泄漏数值。

　　适合的工艺技术。对每组特性集合都存在着一种适当的工艺技术。答案并非简单地取决于一种有最低理论泄漏值的工艺技术，因为器件在睡眠模式下花费的时间很多。在睡眠模式下，可以关闭MCU中大部分的电源，从公式中拿掉泄漏成份。当电路活动时，泄漏是一个较大的问题，但先进晶体管的优势在于能以高得多的效率切换，从而可以轻易地抵消这个问题。

　　举例来说，90 nm工艺的泄漏电流要比专用的低功耗180 nm工艺高出大约五倍。有源模式功耗要低四倍，但其基数是一个大得多的数值。

　　例如一个180 nm MCU，其有源耗电为40 mA，深度睡眠模式耗电为60 nA，与这些功率水平相比，90 nm实现的功率水平能够将有源耗电降至10 mA，但睡眠模式电流较高，为300 nA.对90 nm实现来说，MCU必须在0.0008%的时间里为活动状态，才能获得更高的总体能效。换句话说，如果系统每天只活动工作1秒，则90 nm版的能效大约是其180 nm对手的1.5倍。结论是，在选择工艺尺度时，关键在于了解应用的工作周期（图2）。

　　

　　一旦选择好了合适的工作技术，IC设计者就可以选择进一步优化能源性能。当时钟门控最初问世时，它只在一个相对粗糙的水平上使用。时钟门控增加了一个系统的复杂性，因为电路设计者需要知道在任何确定的时间时，哪个逻辑路径需要时钟信号。

　　时钟分配。大多数MCU实现都采用一种层次式结构，将时钟信号和相应的电压水平分配到IC的各个部分。各个功能单元（如指令处理块与外设）被划分为组，每组都馈给一个独立的时钟树和电源网络。一个分频器或复用器从一个公共时钟源获得每一组的时钟信号。同样，如果这些组需要不同的电压（这种方案日益普遍），则一组功率晶体管和稳压器会为每组外设提供电压。

　　为尽量减少设计的复杂性，MCU采用了一种相对简单的时钟门控方法，只要一组中的功率单项均未激活，则会关断整个时钟树。不过，这种方法会向那些在活动组中不工作的逻辑送入时钟。例如，如果当前指令是一个分支指令，CPU核心中的加法单元也会收到一个时钟。如前所述，时钟信号在加法器中触发的转换会使功耗增加CV2f倍。

　　设计工具与技术的进步已能够使时钟门控的粒度增加到某个点，如果外设或功率单元在该周期内不工作，就不会收到时应用的工作周期钟信号。

　　电压缩放提供了更进一步的节能潜力，它能在必要时，为特定一组功能单元提供一个较低的电压。为一组功率单元或外设提供适当电压的关键在于片上稳压器或dc/dc转换器的实现，以及监控电路的使用，确保IC工作在所需要的电压下。

　　电源的考虑。片上稳压器为系统设计者提供了更高的灵活性，从而能从一只电池榨取更多电能。例如，片上开关降压转换器（如Silicon Labs公司的SiM3L1xx MCU产品）可以从一只3.6V工业电池获得输入，以高于80%的效率将其转换为1.2V.很多MCU没有这种特性，而是采用线性元件降压到合适电平，会有大量的消耗。在高级的实现中，当电池放电到某个水平，转换器无法做转换工作时，降压稳压器可以关闭。因此，电源可以在设备的整个生命周期上做到优化能效，一切均在软件控制下。

　　软件的决策

　　性能的缩放。高能效嵌入应用的实现有赖于软件的设计，软件要以最适当的方式使用硬件资源。什么样才是适合，这不仅取决于应用，而且要看硬件实现。同样，硬件越灵活（包括CPU、时钟、电压和存储器使用），开发者可以获得的节能潜力也越大。能感知硬件的软件工具为嵌入系统工程师提供了更高的认知度，使他们能够更多地了解到哪种更高节能是可实现的。

　　一种选择是采用动态电压缩放，如图3和图4所示。使该技术得以实现的是片上dc/dc转换器与性能监控电路，当应用不需要以最高速度执行指令时，它们提供了降低电压的能力。在这些情况下，系统就工作在较低的功耗下。最终的益处是一个输入电压的函数，可以在产品的生命周期内变化。图中显示了无电压缩放（VDD固定）、SVS（静态电压缩放），以及AVS（动态电压缩放）之间的相对差别。

　　

　　AVS有一个有意思的地方，这就是AVS策略可以根据系统输入电压而改变。在本例中，当输入为3.6V时，用一个高效的内部dc/dc转换器为内部逻辑以及闪存供电，效率更高。但随着在产品生命周期内的电池放电，输入电压跌落，用输入电压为闪存子系统直接供电就成了更高效的方法，因为内部逻辑可以工作在较闪存更低的电压下。例如，Silicon Labs公司的SiM3L1xx系列MCU就有一个灵活的电源架构，有六个独立和可变的电源域，能够实现这种动态的优化。

　　增加硬件块（如DMA）可以进一步改变对能耗的折衷。

　　通常来说，CMOS逻辑电路工作得较慢，因为它们电压低。如果应用可以容忍较低的性能，则较低电压可以因能耗中的二次项而获得大的节能效果，例如常有这种情况，要处理的通信协议，其提交数据的速度不高于某种标准频率。泄漏为电压缩放提供了下限。如果每次运行花费时间太长，则泄漏就开始占据能耗方程的主要地位，从而增加了总能耗。因此，执行一个功能越快越好，然后就使处理器回到睡眠模式，尽量减少泄漏成份。

　　考虑一个需要完成相当多数字信号处理的无线传感器应用，例如玻璃破碎探测器。在本例中，应用会通过一个快速富利叶变换来分析由音频传感器拾取的振动，其特性频率来自于玻璃的碎裂。FFT比较复杂，因此，如要降低电压而以较低频率执行这个变换，就会大大增加泄漏，

　　即使是采用较老的工艺技术。本例的最佳方案是以接近最高频率运行这个变换，然后返回睡眠模式，直到要向主结点报告任何结果时。

　　不过，无线协议代码会产生不同的要求。射频协议要求事件有固定的时序。在这些情况下，协议可能要完全由硬件处理。这就使降低处理器核心电压有了更大的意义。因此，需要做分组组装与传输的代码要运行在适合于无线协议的速度。

　　增加硬件块（如智能DMA）可以进一步改变能耗的折衷情况。很多DMA控制器都需要处理器的频繁干预，如原生ARM Cortex-M3处理器所提供的DMA控制器。但更多智能DMA控制器能支持一种排队与链接的组合，处理器就可以计算报头、加密数据、分组组装，然后以适当的间隔，将数据的传送工作转交给缓冲存储区，供射频前端使用。在射频链路激活的大多数时间内，处理器可以睡眠，节省大量能源。

　　存储器使用。对于现代32 bit MCU，软件工程师在存储器块的使用方式上有高度自由。通常MCU会提供一组存储器，包括长期保存代码和数据的非易失存储器，以及存放临时数据的 SRAM.多数情况下，访问闪存的功耗要高于SRAM.对于正常使用情况，闪存读取次数是SRAM读取数的三倍。闪存写入消耗的功率更多（需要将整块擦除，然后用一个相对高电压脉冲的漫长序列重新写入）。但对于大多数应用来说，闪存写入操作并不频繁，实际上不会影响到平均功耗。

　　闪存功耗的一个更进一步因素是如何分配来自处理器的存取。每个闪存块都包含多个页面，每个页面的大小最多可达4k字节。要支持存取，每个页面都必须加电；未被使用的页面则可以维持在低功耗状态。如果一个定期存取的代码段要跨两个闪存页，而不是全在一个页面上，则读取指令相关的能耗就会增加。将跨不同页面的频繁存取代码与数据在内存中重新分配，就可以在一只电池的放电寿命期间节省不小的能量，而不必修改物理硬件。

　　通常有意义的是复制功能，它更多地使用片上SRAM而不是闪存，无论是读还是写，虽然这种方法看似是对存储容量的低效使用。电池长寿命的优点可以轻易抵消掉更多的内存消耗。

　　代码优化。能量优化亦可以颠覆传统的代码效率概念。几十年来，嵌入系统工程师很注重针对存储器大小来优化代码，除非性能是压倒一切的指标。能量优化提供了另一种全新的度量标准集。一个重要的考虑是采用32 bit平台上已经普遍提供的片上缓存。

　　对代码大小的优化能够在缓存中保存更多的可执行代码，从而提高了速度和节省了能耗。不过，函数调用与分支（可重新使用公共代码，从而减少应用的尺寸）会在同列缓存的代码段之间造成不可预期的冲突。这样当需要从主内存中获取指令时，会造成浪费的“缓存颠覆”，以及多闪存页激活。

　　在产品生命周期内要频繁工作的那些代码，可以充分压缩到能装入缓存中，而不做分支或调用函数，这是有意义的。考虑一个烟雾报警器：即使报警器每周触发一次（也许源于厨房活动所产生的过多烟气），也仅是报警器十年寿命中3.15亿次事件中的520个。绝大部分时间中，代码只要读一下传感器值，然后发现其未超阈值，就让处理器核心返回睡眠状态，等待系统定时器的唤醒。

　　在警报器获取的所有传感器读数中，只有不到0.0002%的情况才会执行警报生成代码。余下99.9998%的代码执行都是核心传感器读取循环；确保这个代码直接在一个缓存列中执行，就成为最低能量使用的关键。其它代码由于运行得极少，可以使用更传统的技术做优化。

　　能效工具。对于MCU平台的能效最大化，工具的支持十分重要。要将不同函数分配到闪存的不同页，就需要这样一种链接器，它能够知道目标MCU的存储器详图。链接器可以获得开发人员的输入结果，看这个块是否被分配在了跨页边界上，并生成已经过非易性存储最高能效优化的二进制码。

　　一般来说，这个代码也用于确保函数与数据的放置方式，即最常执行的部分不会跨多个缓存列。如果MCU供应商提供了这类工具，则实现这种级别的细节要容易得多，因为他们了解每个目标平台的存储器布局与功率需求。而第三方供应商实现这工具则要困难得多。

　　MCU供应商还详细地了解不同外设与片上总线的组织方式。这一知识可以用于工具中，指导工程师做出不浪费功率的选择。

　　提示

　　在工艺技术、IC架构以及软件结构之间的权衡决策，可以得到微妙而有时是无法预期的结果。

　　电源门控可以减轻泄漏效应，使更先进的工艺结点成为低工作周期系统的较好选择。

　　片上稳压器为设计人员提供了更多灵活性，能够从一只电池中榨取更多的电荷，而片上dc/dc转换器与性能监控电路则能实现动态的电压缩放。

　　能感知硬件的软件工具为嵌入系统工程师提供了更多认知能力，从而实现更高的节能。