中心議題：

• 降低能源消耗

解決方案：

• EFM 32 Gecko從喚醒到關(guān)機(jī)的時(shí)間減到最少
• 綜合單芯片的功能集
• 自主外圍設(shè)備繞過CPU以節(jié)約電源

對(duì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)而言， 20年的電池壽命乍一看是一個(gè)不現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)。畢竟，對(duì)日常生活中隨處可見的電池供電產(chǎn)品，再充電之間的時(shí)間是用小時(shí)來衡量的，而我們的看法還受到“待機(jī)時(shí)間”和“通話時(shí)間”（針對(duì)手機(jī)而言）等指標(biāo)的影響，盡管這些指標(biāo)在實(shí)踐中很難達(dá)到。電池壽命是以年數(shù)來測量的，可以延長到幾十年，不過只對(duì)擴(kuò)大了的產(chǎn)品類別才行得通，包括溫度傳感器和其他環(huán)境監(jiān)測裝置、住宅及商業(yè)樓宇自動(dòng)化傳感器以及安全和醫(yī)療系統(tǒng)。這些產(chǎn)品之間的共同點(diǎn)是，它們必須在沒有外接電源，也沒有操作員干預(yù)的情形下長期運(yùn)行;還因?yàn)闊o法進(jìn)入或成本的原因，電池?zé)o法更換。這些產(chǎn)品的性質(zhì)也決定了它們所用的電池必須要小;通常不可以通過增加容量來獲得額外的使用壽命。它們需要從電源類別如“能源敏感”的應(yīng)用中得到最長的使用壽命。

在一般使用過程中，許多電池的貨架壽命不會(huì)超過10年，但紐扣電池的耐力較長，雖然紐扣電池的壽命可預(yù)計(jì)為20 - 25年，設(shè)計(jì)者還是必須把電池的自放電率納入其計(jì)算中。

能源敏感的應(yīng)用必須最大限度地使用電池提供的所有電荷。設(shè)計(jì)會(huì)圍繞一個(gè)微控制器進(jìn)行，而很長的電池壽命是可能做得到的，因?yàn)椋谝粋€(gè)典型的應(yīng)用中，MCU會(huì)在度深睡眠模式中花掉大部分時(shí)間。低占空比本身不足以確保達(dá)到長電池壽命的目標(biāo)，必須優(yōu)化MCU操作的每個(gè)方面以使用最低的電源量。

32位內(nèi)核將從喚醒到關(guān)機(jī)的時(shí)間減到最少
Energy Micro的節(jié)能“Gecko”EFM- 32微控制器采用一個(gè)ARM Cortex - M3的32位內(nèi)核，如圖1所示。乍一看這似乎與最低功耗的需要有矛盾：低功耗的MCU一直在通過使用成熟的8位內(nèi)核的最新版本設(shè)法盡量減少M(fèi)CU內(nèi)核的門數(shù)，盡管事實(shí)上，它們的處理能力幾乎不能滿足今天許多應(yīng)用的需要。 現(xiàn)代的32位內(nèi)核可以提供一個(gè)非常有效的選擇; 它采用今天的IC設(shè)計(jì)師們使用的全套低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，使Energy Micro公司可以生產(chǎn)出一個(gè)ARM Cortex - M3內(nèi)核來運(yùn)行來自閃存的典型應(yīng)用代碼，使用的電量只有180µA/MHz。認(rèn)真使用這些相同的技術(shù)可保證數(shù)字測量正確，下降到低的時(shí)鐘速率，而不僅是一個(gè)峰值性能數(shù)字。在達(dá)到性能目標(biāo)時(shí)將某個(gè)應(yīng)用調(diào)到最大功率是個(gè)重要因素。M3內(nèi)核采用既定的Thumb2指令集架構(gòu)，產(chǎn)生出非常緊湊的低內(nèi)存代碼，進(jìn)一步降低了電源需求。 [page] 32位內(nèi)核的計(jì)算能力對(duì)Gecko MCU所采用的節(jié)能策略是很重要的，可以概括為盡量少地喚醒微控制器：當(dāng)它被帶出深度睡眠模式時(shí)，要盡快執(zhí)行所要求的處理任務(wù)，采用任何給定任務(wù)真正需要的最少資源，然后再回到深度睡眠中。通過對(duì)電荷單元的思考- 產(chǎn)品的電流和時(shí)間，如圖2所示， 可以在最大程度上優(yōu)化電池壽命。32位內(nèi)核是一個(gè)優(yōu)越的解決方案，不僅因?yàn)樗旧砭褪堑凸?，而且因?yàn)樗梢栽谳^少的微秒中完成處理任務(wù)。實(shí)際上，要增加該裝置在深睡眠模式下花費(fèi)的任務(wù)周期比例，電流水平低至20nA（以最低的，完整的關(guān)斷模式）或900nA（保持通電復(fù)位和掉電檢測，加上實(shí)時(shí)時(shí)鐘，并保留RAM內(nèi)容和CPU狀態(tài)）是很有意義的。
綜合單芯片的功能集
一體化是限制電源的一個(gè)重要因素。由于一整套片上外圍設(shè)備，Gecko CPU形成了一個(gè)有絕對(duì)最低的外部元件的系統(tǒng)基礎(chǔ)。其內(nèi)核包括片上閃存（達(dá)128 KB）和RAM（達(dá)16 KB），有1系列的串行接口包括UART（標(biāo)準(zhǔn)和低功耗），USARTs和 I2C，其多個(gè)數(shù)字I / O達(dá)到了90個(gè)引腳;幾個(gè)不同的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊也將產(chǎn)生PWM輸出，而模塊包括模擬/數(shù)字和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器。其它的片上硬件不僅包括一個(gè)用來直接驅(qū)動(dòng)1個(gè)4x40段顯示器的LCD控制器模塊，也包括一個(gè)為AES加密的加速功能。

低功率應(yīng)用越來越多 –例如, 手持終端設(shè)備 – 要求數(shù)據(jù)加密;節(jié)能MCU包括的模塊將處理加密和解密128 - 或256位密鑰，體現(xiàn)了降低功率的整體戰(zhàn)略。Cortex - M3內(nèi)核可以隨時(shí)執(zhí)行AES功能，但其它硬件支持軟件程序的速度要快20至80倍，因此控制器內(nèi)核可在較少時(shí)間內(nèi)變得活躍。

事實(shí)上，只是簡單提到MCU的主動(dòng)或深睡眠模式還過于簡單化;一系列的五級(jí)操作配置使設(shè)計(jì)師能精確地將設(shè)備的處理能力與任何時(shí)刻的應(yīng)用計(jì)算需要匹配 在一起，只使用最低的基本電流去完成一個(gè)特定的任務(wù)，見圖3。同樣，任何外圍設(shè)備都可以在不需要時(shí)完全關(guān)閉。 和非常省電的邏輯一樣重要，芯片上的每個(gè)混合信號(hào)模塊也以最小的功率達(dá)到了很高的性能。 8通道，12位ADC在全分辨率時(shí)只用了200 µA和1 Msamples/秒的轉(zhuǎn)換率，使用6位分辨率和1 ksample/秒樣品的較簡單的測量只用了500 nA。12位DAC在500 ksamples/秒時(shí)也只用了200µA,。其它混合信號(hào)功能，如內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器和欠壓檢測器也同樣有效。

自主外圍設(shè)備繞過CPU以節(jié)約電源
盡管有一個(gè)高效的32位處理器內(nèi)核資源，Energy Micro公司的設(shè)計(jì)人員認(rèn)識(shí)到在典型應(yīng)用中還有很多功能沒有達(dá)到全面的處理能力，如果在待機(jī)狀態(tài)下，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會(huì)使用較少的電源。和標(biāo)準(zhǔn)的32位一樣，ARM架構(gòu)總線與芯片上所有的功能性模塊互聯(lián)，一個(gè)輔助總線或互連矩陣被稱為外圍設(shè)備反射系統(tǒng)。如圖4所示，使用該互連，外圍設(shè)備就能從ARM內(nèi)核中與外圍設(shè)備溝通，無任何干擾。

以一個(gè)溫度傳感器為例，它每分鐘都要收集數(shù)據(jù)，但只是每隔一小時(shí)或每隔一天報(bào)告一次 - 或當(dāng)它積累了一定的數(shù)據(jù)量時(shí)。芯片可以保持睡眠狀態(tài)，而計(jì)時(shí)器每分鐘通過外圍設(shè)備反射系統(tǒng)開始其ADC轉(zhuǎn)換。 然后DMA控制器不需要啟動(dòng)CPU就將結(jié)果移到了RAM。然后，在更長的時(shí)間間隔內(nèi)，內(nèi)部定時(shí)器可單獨(dú)喚醒主要內(nèi)核，運(yùn)行適當(dāng)?shù)耐ㄐ艆f(xié)議并上傳累計(jì)的測量數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用EFM- 32 MCU, 得到了一個(gè)開發(fā)平臺(tái)的支持，實(shí)現(xiàn)了通過應(yīng)用代碼詳細(xì)測量能源消耗的哲學(xué)思想。到MCU的電流被先進(jìn)能源監(jiān)視器采樣和集成，放出來自電源的充足電荷，使設(shè)計(jì)師們能用他們的代碼探索和優(yōu)化不同的節(jié)能戰(zhàn)略。