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MCU采用简单的时钟门控方法.doc
MCU采用简单的时钟门控方法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。
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 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。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。
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