中心議題：

• 低功耗係統設計 

解決方案：

• 優化設計低功耗外圍設備
• 簡單的任務不需要MCU內核
• 在電源預算中加密碼 

在zai設she計ji電dian池chi供gong電dian產chan品pin時shi，人ren們men顯xian然ran希xi望wang電dian池chi壽shou命ming應ying該gai盡jin可ke能neng長chang些xie。作zuo為wei一yi個ge快kuai速su發fa展zhan的de設she備bei種zhong類lei，從cong單dan電dian池chi發fa展zhan起qi來lai的de應ying用yong不bu僅jin僅jin停ting留liu在zai規gui格ge上shang：而是以整個產品的概念為中心。能源敏感的產品應用大致分為能源計量係統、家庭與樓宇自動化、安全和醫療係統（圖1）。這些產品通常會圍繞一個微控製器（MCU），必須用單一的原電池運作很長時間。在某些應用中
，要想更換電池是很難的甚至不可能的：在其它應用中，最終用戶不願意支付更換電池的成本。 在這樣的應用中采用的是占空比非常低的很活躍的微處理器

，在“深度睡眠”狀態下時間可能占了99％ - 甚至更高，達到99.9％也不罕見。微處理器在一個周期循環或在回應某些刺激時被“喚醒”，執zhi行xing操cao作zuo，並bing返fan回hui到dao睡shui眠mian狀zhuang態tai中zhong。由you於yu它ta們men花hua了le這zhe麼me多duo時shi間jian去qu睡shui覺jiao，很hen明ming顯xian
，獲huo得de最zui長chang電dian池chi壽shou命ming的de關guan鍵jian參can數shu是shi在zai掉diao電dian狀zhuang態tai下xia的de電dian流liu消xiao耗hao。不bu過guo
，同tong一yi節jie電dian池chi的de使shi用yong壽shou命ming為wei三san或huo四si年nian與yu超chao過guo10年，延長至20年，甚至更長時間的區別在於要密切注意這個任務如何使用MCU資源的每個方麵，以及MCU本身是如何設計以各種方式減少能源消耗的。 一節單電池用20年
CR2032紐扣電池廣泛用於小型MCU如遠程環境傳感器中，這是一種鋰/二氧化錳3V原電池。典型的供應商 - 例如，柯達（參考1） -評定230 mAh到2V的終點電壓能力為 5.6 k (約有0.5 mA). 如果是那樣的話，電池壽命將為400小時，相比之下
，能源敏感的應用能使使用壽命達到20萬小時。這種特殊的電池具有很好的貨架壽命或自放電率，數據表顯示10年之後其容量達90％。非常相似的是，這相當於連續充電約0.25 A, 如果能夠達到10-20年的電池壽命, 應用的一般要求就會滿足。
伴隨電池壽命的是數量有限的電荷
，設計者必須在MCU運行的所有階段減少產品的電流和時間


，不僅要減少每微安的數量
，也要減少每個動作的每個微秒。

為了減少深度睡眠模式下消耗的電流，在能源敏感應用的MCU中采用8位（或16位）內核已很普遍。其理由是，8位內核—即使在最新版本中也常常采用這樣的設計 - -很小
，門控相對較少，靜電或泄露電流低。但是，許多現在的應用都需要比8位內核更大的處理功率。在其它MCU應用領域，用戶往往選擇從一個8位升級到一個32位環境。在低功耗的情況下，人們一直假定32位內核在其掉電模式狀態時使用的電流一定是高得令人無法接受的。隨著全套低功耗設計技術的出現，今天的IC設計師們已經可能讓一個32位ARM內核提供不同的低功耗模式了，與其8位的競爭對手一樣好
，甚至更好，而且還能實現快速喚醒時間。 32位處理器更高的處理性能也使MCU可以更快完成任務，從而能夠在這些低功耗模式中花更多時間來進一步降低平均功耗。
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低功耗外圍設備功能
要優化最低耗用功率的MCU睡眠狀態功耗需要整體的設計方法。除了內核
，MCU裏的其它模塊在待機設備、穩壓器、偏置電流發生器，欠壓檢測比較儀、加電複位電路中會繼續吸引一些電流 。在幾乎所有情況下，簡單的交替換位都適用; 掉電狀態越深，就越多外圍設備的功能被完全切斷，芯片準備好實施處理任務的喚醒時間越長。由於應用的差別很大
，MCU設(she)計(ji)師(shi)提(ti)供(gong)一(yi)種(zhong)靈(ling)活(huo)的(de)斷(duan)電(dian)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)擴(kuo)展(zhan)套(tao)件(jian)形(xing)式(shi)就(jiu)顯(xian)得(de)很(hen)重(zhong)要(yao)了(le)

，這(zhe)樣(yang)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)就(jiu)可(ke)以(yi)很(hen)好(hao)地(di)為(wei)他(ta)個(ge)人(ren)的(de)項(xiang)目(mu)進(jin)行(xing)待(dai)機(ji)功(gong)率(lv)和(he)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)的(de)交(jiao)替(ti)換(huan)位(wei)。 設計實施ARM內核以實現在nanoamp區最深睡眠狀態的電流水平隻是低能源戰略的一個步驟。能夠提供一個32位內核的處理能力為控製能源使用開辟了新途徑
， 在任何時候，它是MCU供電圖下麵的區域，隨著時間的推移

，它表示從電池裏取走的電荷（圖2）。就是這樣，在具體配置中電流消耗的大標題數字越多
，設計人員就必須密切注意要最大限度地延長電池的使用壽命。在EFM32微控製器的開發工具包中，這種測量是很清楚的; 這個工具包的基本功能部分是其先進能源監控器（圖3）。該設施在填充MCU內核的電流軌中不斷測量電流;一個從模擬到數字的轉換器（ADC）通過電阻器采集電壓
，而開發工具包軟件集成其讀數來精確測量不同時間的功率。 一個32位的內核比能力較小的MCU花更少的時間去積極完成一項相同的任務：同時
，該內核在運行時使用的功率也應盡可能低。集中於低功耗的IC設計師們得到了許多精致的設計來實現其目標。例子包括優化所有芯片同步邏輯的時鍾門控結構，並組織總線係統和內存 –SRAM和閃存- 在任何特定處理中的最小開關 -。采用全套低功耗設計方法會在閃存中產生一個運行典型代碼的ARM Cortex - M3內核
，而使用少到180μA/MHz的能量。認真使用這些相同的技術可以保證數字測量準確，減少到低時鍾速率，而不僅是一個最佳性能數字。一旦MCU被喚醒並執行應用代碼
，M3內核使用Thumb2指令集也有助於減少“活躍時間”。有了這樣的緊湊型16位指令的雙取指令功能
，Thumb2ISA的效率非常好。

在減少電流乘微秒產品時，MCU設計師有很多更好的策略要部署。一個是不僅減少內核在實際處理應用代碼時所花的時間，而且縮短喚醒刺激之間的解決時間 - 無論是定時生成或事件驅動 - 並且CPU正在準備做“真正的工作”。一條線路是最大限度地減少啟動時間以及內核的時鍾信號供應。眾所周知
，當一個晶體振蕩器從關閉狀態中啟動時，在作為一個係統時鍾使用之前，它需要一些時間來穩定其輸出。相反
，一個RC振蕩器作為MCU必須完成的所有任務的時基可能不夠準確，但會在開機後的幾乎一瞬間產生有規則的輸出。部分解決方案是縮短同時提供信號的時間; CPU在開機的同時就開始運行，用RC振蕩器調整時鍾
，而一個小控製電路等它一穩定下來就將時鍾源傳到一個晶體振蕩器上。RC振蕩器輸出中任何頻率精度的不足都不很重要，因為使用它的周期較短。
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簡單的任務不需要MCU內核
盡管設計師十分注意要用一個有能力的處理內核來提供功率，並且在盡可能短的時間內實現了這個目標， 對芯片設計師和係統設計師有用的是要問問給定任務是否需要這樣的內核：如果喚醒它隻是執行簡單任務的話，即使是最節能的內核也會浪費電池的電荷。我們再用環境傳感器的應用作個例子 –它可能需要定期測量，但隻需在不頻繁的時間間隔內將測量結果報告到中央數據記錄器裏。運行通信接口的軟件堆棧一定會要求喚醒MCU內核
，但會更頻繁地打開模擬到數字的轉換器
，指揮A / D轉換，並以低功耗內存積累結果，如果隻要求外圍設備設置在互連矩陣（圖4）的(de)控(kong)製(zhi)下(xia)自(zi)主(zhu)運(yun)作(zuo)的(de)話(hua)，消(xiao)耗(hao)的(de)功(gong)率(lv)會(hui)很(hen)少(shao)。由(you)於(yu)應(ying)用(yong)的(de)差(cha)別(bie)很(hen)大(da)，選(xuan)擇(ze)哪(na)些(xie)功(gong)能(neng)模(mo)塊(kuai)來(lai)供(gong)電(dian)以(yi)及(ji)它(ta)們(men)如(ru)何(he)連(lian)接(jie)的(de)高(gao)度(du)靈(ling)活(huo)性(xing)對(dui)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)這(zhe)一(yi)概(gai)念(nian)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。
在電源預算中加密碼
眾所周知，在現代CMOS半導體工藝中，為硬連接塊ICzengjiagongnengdeguiquchengbenxiangduijiaodi。zhechanshengleqingweideyuzhijiaobuyizhidejieguo，weilebagonghaojiangdaozuidi，zuiyouxiaodexuanzewangwangshizengjiamenkongshu。youlexianjindezhongshusheji、時鍾門控和線路板電源開關， ICshejirenyuankeyisuishisuidihenrongyidiwanquanqieduandianyuan。zhezhongfangfadeyigetuchugongnengjiushijiami。jishishikansipingchangdeshujuxianzaiyetongguolixingdejiamilaibaozhenganquan，tongchangyizhidesuanfaweiAES。這對一個32位MCU內(nei)核(he)而(er)言(yan)不(bu)是(shi)一(yi)項(xiang)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)任(ren)務(wu)，但(dan)它(ta)確(que)實(shi)占(zhan)用(yong)了(le)大(da)量(liang)的(de)處(chu)理(li)器(qi)周(zhou)期(qi)
，延(yan)長(chang)了(le)總(zong)的(de)微(wei)安(an)倍(bei)乘(cheng)總(zong)微(wei)秒(miao)。大(da)多(duo)數(shu)這(zhe)些(xie)周(zhou)期(qi)花(hua)在(zai)了(le)執(zhi)行(xing)一(yi)些(xie)內(nei)部(bu)循(xun)環(huan)中(zhong)的(de)算(suan)法(fa)上(shang); 增加一個AES加速器硬件模塊會使MCU停止AES算法
，轉向專用硬件，並與其它處理器和睦相處，以更少的周期得到加密（或解密）結果。

迅速擴大的能源敏感應用類別 - 由少數高端類別如智能電能計量領導 - 重新界定了用電池驅動一個產品的意思：這些產品必須在一個單電池的驅動下提供服務，並比較電池本身的貨架期，在電池製造商指定的最大時間間隔的相同範圍內：達到，甚至超過20年。隻有一個高度集成的單芯片的微控製器能為這樣的設計提供一個現實的解決辦法。IC設計師們十分注重低功耗芯片設計的每個方麵，現在可以提供現代

、功能強大的32位處理器內核給產品設計師了，而同時盡可能地降低了功率要求。
參考1：
柯達CR2032紐扣電池的數據表：http://www.kodak.com/eknec/documents/fb/0900688a8019d7fb/KCR2032.pdf