中心議題：

• 降低能源消耗

解決方案：

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

對一個嵌入式系統(tǒng)而言， 20年的電池壽命乍一看是一個不現(xiàn)實的目標。畢竟，對日常生活中隨處可見的電池供電產(chǎn)品，再充電之間的時間是用小時來衡量的，而我們的看法還受到“待機時間”和“通話時間”（針對手機而言）等指標的影響，盡管這些指標在實踐中很難達到。電池壽命是以年數(shù)來測量的，可以延長到幾十年，不過只對擴大了的產(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)品之間的共同點是，它們必須在沒有外接電源，也沒有操作員干預的情形下長期運行;還因為無法進入或成本的原因，電池無法更換。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計為20 - 25年，設計者還是必須把電池的自放電率納入其計算中。

能源敏感的應用必須最大限度地使用電池提供的所有電荷。設計會圍繞一個微控制器進行，而很長的電池壽命是可能做得到的，因為，在一個典型的應用中，MCU會在度深睡眠模式中花掉大部分時間。低占空比本身不足以確保達到長電池壽命的目標，必須優(yōu)化MCU操作的每個方面以使用最低的電源量。

32位內(nèi)核將從喚醒到關(guān)機的時間減到最少
Energy Micro的節(jié)能“Gecko”EFM- 32微控制器采用一個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)核的最新版本設法盡量減少MCU內(nèi)核的門數(shù)，盡管事實上，它們的處理能力幾乎不能滿足今天許多應用的需要。 現(xiàn)代的32位內(nèi)核可以提供一個非常有效的選擇; 它采用今天的IC設計師們使用的全套低功耗設計技術(shù)，使Energy Micro公司可以生產(chǎn)出一個ARM Cortex - M3內(nèi)核來運行來自閃存的典型應用代碼，使用的電量只有180µA/MHz。認真使用這些相同的技術(shù)可保證數(shù)字測量正確，下降到低的時鐘速率，而不僅是一個峰值性能數(shù)字。在達到性能目標時將某個應用調(diào)到最大功率是個重要因素。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，進一步降低了電源需求。 [page] 32位內(nèi)核的計算能力對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：當它被帶出深度睡眠模式時，要盡快執(zhí)行所要求的處理任務，采用任何給定任務真正需要的最少資源，然后再回到深度睡眠中。通過對電荷單元的思考- 產(chǎn)品的電流和時間，如圖2所示， 可以在最大程度上優(yōu)化電池壽命。32位內(nèi)核是一個優(yōu)越的解決方案，不僅因為它本身就是低功耗，而且因為它可以在較少的微秒中完成處理任務。實際上，要增加該裝置在深睡眠模式下花費的任務周期比例，電流水平低至20nA（以最低的，完整的關(guān)斷模式）或900nA（保持通電復位和掉電檢測，加上實時時鐘，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重要因素。由于一整套片上外圍設備，Gecko CPU形成了一個有絕對最低的外部元件的系統(tǒng)基礎。其內(nèi)核包括片上閃存（達128 KB）和RAM（達16 KB），有1系列的串行接口包括UART（標準和低功耗），USARTs和 I2C，其多個數(shù)字I / O達到了90個引腳;幾個不同的定時器/計數(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用來直接驅(qū)動1個4x40段顯示器的LCD控制器模塊，也包括一個為AES加密的加速功能。

低功率應用越來越多 –例如, 手持終端設備 – 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)核可在較少時間內(nèi)變得活躍。

事實上，只是簡單提到MCU的主動或深睡眠模式還過于簡單化;一系列的五級操作配置使設計師能精確地將設備的處理能力與任何時刻的應用計算需要匹配 在一起，只使用最低的基本電流去完成一個特定的任務，見圖3。同樣，任何外圍設備都可以在不需要時完全關(guān)閉。 和非常省電的邏輯一樣重要，芯片上的每個混合信號模塊也以最小的功率達到了很高的性能。 8通道，12位ADC在全分辨率時只用了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/秒時也只用了200µA,。其它混合信號功能，如內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器和欠壓檢測器也同樣有效。

自主外圍設備繞過CPU以節(jié)約電源
盡管有一個高效的32位處理器內(nèi)核資源，Energy Micro公司的設計人員認識到在典型應用中還有很多功能沒有達到全面的處理能力，如果在待機狀態(tài)下，即使是最節(jié)能的內(nèi)核也會使用較少的電源。和標準的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)，一個輔助總線或互連矩陣被稱為外圍設備反射系統(tǒng)。如圖4所示，使用該互連，外圍設備就能從ARM內(nèi)核中與外圍設備溝通，無任何干擾。

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

系統(tǒng)設計采用EFM- 32 MCU, 得到了一個開發(fā)平臺的支持，實現(xiàn)了通過應用代碼詳細測量能源消耗的哲學思想。到MCU的電流被先進能源監(jiān)視器采樣和集成，放出來自電源的充足電荷，使設計師們能用他們的代碼探索和優(yōu)化不同的節(jié)能戰(zhàn)略。