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從矽晶到軟體- 設計低功耗嵌入式系統
第一部分 矽晶選擇
簡介
設計低功耗系統時,我們需要重視一些非傳統因素,這些因素涉及範圍從矽晶生產製程技
術,到基於 MCU 的嵌入式平台上所執行的軟體。透過對系統層面的深入分析,本文討論
決定 MCU 能源效率的三個關鍵參數:工作模式耗電、待機模式耗電和工作週期 (Duty
Cycle )–決定各種狀態下所佔用的時間比率,由軟體本身來決定 。
低功耗待機狀態使得 MCU 看起來能源效率極高 ,但事實是,只有考慮了控制工作模式功
耗的所有因素後才能決定MCU 的能源效率狀況。總之,對於處理製程 、IC 架構和軟體結
構選擇的權衡是十分微妙的決定因素,有時會出現意想不到的結果。此外,MCU 上功能
模組結合的方式對整體耗電有著動態影響。即使對於硬體看似小而輕微的改變,都可能會
導致系統執行週期中整體耗電的大幅波動。
低功耗應用
舉幾個應用範例。測量和警告系統通常由單電池供電,並具有約 10 年的生命週期。在感
測器讀取操作上(在產品生命週期中可能發生幾億次),小小的電流消耗增加就可能會導
致產品的實際使用壽命減少幾年。而一個簡易的煙霧警告器,需每秒檢測一次空中煙霧粒
子是否存在,在其生命週期中將要執行3.15 億次讀取操作。
簡易煙霧警告器的工作比例或工作週期比是相當低的。每次感測器讀取操作可能花費時間
不超過幾百微秒,而大部分時間都消耗在其他方面,包括:校準和準備過程,MCU 喚醒
Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 1
類比數位轉換器(ADC )和其他感應類比元件 ,並等待其達到穩定狀態點的時間。在這
種情況下,工作週期可能導致設計中的非活動狀態時間大約占總時間的99.98%。
傳統的煙霧警告器比較簡單。我們來看一個更複雜的 RF 設計,此設計中,資料結果透過
感測器網狀網路傳輸到主機應用中。感測器需要監聽主節點的工作狀態,由此他可發訊號
表明自己仍然在網狀網路中,或為路由器提供目前所捕捉資訊。額外的工作不一定會影響
整個工作週期比,相反的 ,在活動週期中,使用更高性能的裝置還可執行更多功能,因為
高性能裝置加強了處理速度(可透過使用更先進的架構和半導體技術實現),與執行更多
週期的慢速裝置相比,快速裝置具備更高能源效率 。設計關鍵在於了解製程技術、MCU
架構和軟體實現之間的相互作用。
第一部分:矽晶選擇
CMOS 耗電分佈
2
幾乎所有的 MCU 都透過 CMOS 技術實現。任何工作邏輯電路的耗電可由公式 CV f 決定,
其中:C 代表裝置中開關電路路徑上的總電容,V 代表供電電壓,f 代表操作頻率。參見
圖 1 ,電壓和電容是生產製程技術相關的因數。在過去的三十年中,CMOS 邏輯的晶片操
作電壓已經從 12V 下降到 2 V 以下,同時電晶體體積也大幅縮小。因為電壓在工作模式
耗電方程式中是二次函數,因此使用較低電壓將對耗電帶來顯著的影響。
圖1 :CMOS 邏輯架構及開關過程中的耗電
Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 2
電容作為可使總耗電降低的一項因數,雖然是線性,也大幅受益於摩爾定律。對於指定的
邏輯函數來說,更先進的生產製程可提供比之前更小體積的電容,並且可獲得更低的耗電。
此外,還有一種先進的設計技術可降低整體開關頻率,這種技術被稱為時脈閘控。
與其他技術相比,CMOS 可極大降低能源浪費,但同時存在漏電損耗。與工作模式耗電
相比,漏電損耗以摩爾定律速率來增加,在所有低功耗應用中都要加以考慮,因為他與低
工作週期比系統的非工作時間成正比。然而,和工作模式耗電一樣,電路設計對真實漏電
損耗產生動態影響。類似時脈閘控 ,功率閘控也能夠大幅減輕漏電損耗的影響,採用更多
先進製程的節點是低工作週期比系統的更好選擇,即使是舊的製程技術也可獲得更低的理
論漏電損耗量。
適用的生產製程技術
每一個特性集都有合適的生產製程技術。關鍵在於,當裝置長時間處於休眠模式時,僅僅
依賴一種具有最低理論漏電損耗的生產製程技術是不夠的。在休眠模式,可禁止為 MCU
中大部分組成供電,
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