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从硅片到软件的低功耗嵌入系统

2013-01-24 10:46
苏子言岁月
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  低功耗系统设计需要注意很多非传统性因素,从硅片工艺技术,直到在微控制器嵌入平台上运行的软件。在系统级做仔细检查可揭示出决定微控制器能效的三个主要参数:有源模式功耗;待机功耗;以及工作周期,后者决定了两种状态上所花时间的比率,而这个比率则取决于软件的行为。

  低功耗待机状态可以使一只微控制器看似非常高能效,但只有考虑了影响到有源功耗的所有因素后,才能证明其最终性能。

  低功耗待机状态可以使一只微控制器看似非常高能效,但只有考虑了影响到有源功耗的所有因素后,才能证明其最终性能。鉴于这个和其它原因,工艺技术、IC架构以及软件结构之间的权衡就是一些决策问题,有一些微妙和有时无法预期的结果。一个MCU中各功能块相互结合的方式,对整体能效有显着的影响。即使硬件实现上看似微小的改变,也可能致使一个系统生命周期内的总能耗发生巨大的波动。

  低功耗应用

  举例来说,读表与报警系统,通常一节电池要供10年电。某只传感器读取功耗的少许增加(在产品的生命周期中,这种读数动作要发生上亿次),就可能使产品的实际现场寿命减少数年时间。一只简单的烟雾警报器,每秒要探测一次空气中的烟尘粒子,在其生命周期内完成3.15亿次读取。

  一只简单烟雾报警器的活动比率(或工作周期)还相对算低的。每只传感器读数时可能花费时间不到数百毫秒就能完成,大部分时间花在当MCU唤醒ADC以及其它敏感模拟元件时的校准和安定上,以使它们达到一个稳定的工作点。在本例中,工作周期是设计的关键,这个设计在约99.88%的时间中是处于不活动状态。

  传统的烟雾警报器还算比较简单。考虑一个更复杂的RF设计,它有一个传感器网格,将读数结果转发给一个主控应用。传感器需要从一个主结点聆听活动情况,这样一方面可以通告说自己仍然在网格网络中,或者将最新捕捉的信息发送给路由器。不过,增加活动可能并不影响整个工作周期;相反,采用更高性能的器件,可以在每次激活期间完成更多功能。由于更先进架构与半导体技术,使得处理速度的增加成为可能,较快器件可以提供更高的能效,而较慢器件则要运行更长周期。重点在于了解工艺技术、MCU架构,以及软件实现之间的交互作用。

  硅选择

从硅片到软件的低功耗嵌入系统

 

  CMOS能耗数据。 几乎所有MCU的实现都使用了CMOS技术(图1)。任何激活态下逻辑电路的功耗都可以用公式CV2f表示,其中C是器件内开关电路路径的总电容,V是电源电压,而f是工作频率。电压和电容都是所采用工艺技术的因素。过去三十年以来,CMOS逻辑的芯片工作电压已经从12V降到不足2V,原因是晶体管尺寸的缩小。鉴于电压在有源功耗的公式中是一个二次项,因此电压的降低有明显的作用。

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