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从硅芯片到软件 设计低能耗嵌入式系统

2015-01-16 00:19
小伊琳
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  第一部分硅芯片选择

  简介

  设计低能耗系统时,我们需要关注一些非传统因素,这些因素涉及范围从硅芯片生产工艺技术,到基于单片机的嵌入式平台上所运行的软件。通过对系统层面的深入分析,本文讨论决定MCU能效的三个关键参数:工作模式功耗、待机模式功耗和占空比(他决定各种状态下所占用的时间比率,由软件自身来决定)。

  低能耗待机状态使MCU看上去具有超高能效,但事实是,只有考虑了控制工作模式功耗的所有因素后才能决定MCU的能效状况。总之,对于处理工艺、IC架构和软件结构选择的权衡是十分微妙的决定因素,有时会出现意想不到的结果。此外,单片机上功能模块相结合的方式对整体能耗加以动态影响。即使对硬件实现看似小而轻微的改变,都可能会导致系统运行周期中整体能耗的大幅波动。

  低能耗应用

  举几个应用示例。测量和报警系统通常由单电池供电,并具有约10年的生命周期。在传感器读取操作上(在产品生命周期中可能发生几亿次),小小的电流消耗增长就可能会导致产品的实际使用寿命减少几年。而一个简单的烟雾报警器,需每秒检测一次空中烟雾粒子是否存在,在其生命周期中将要执行3.15亿次读取操作。

  简单烟雾报警器的工作比例或占空比是相当低的。每次传感器读取操作可能花费时间不超过几百微秒,而大部分时间都消耗在其他方面,包括:校准和准备过程,单片机唤醒模数转换器(ADC)和其他感应模拟器件,并等待其达到稳定状态点的时间。在这种情况下,工作周期可能导致设计中的非活动状态时间大约占总时间的99.98%。

  传统的烟雾报警器比较简单。我们来看一个更复杂的RF设计,此设计中,数据结果通过传感器网状网络传输到主机应用中。传感器需要监听主节点的工作状态,由此他可以发信号表明自己仍然在网状网络中,或者为路由器提供当前所捕获信息。额外的工作不一定会影响整个占空比,相反,在活动周期中,使用更高性能的装置还可以执行更多功能,因为高性能装置提高了处理速度(可通过使用更先进的架构和半导体技术实现),与运行更多周期的慢速装置相比,快速装置具备更高能效。

  设计关键在于理解工艺技术、MCU架构和软件实现之间的相互作用。

  第一部分:硅芯片选择

  CMOS能耗分布

  几乎所有的MCU都通过CMOS技术实现。任何工作逻辑电路的功耗可由公式CV2f决定,其中:C代表装置中开关电路路径上的总电容,V代表供电电压,f代表操作频率。参见图1,电压和电容是生产工艺技术相关的因子。在过去的三十年中,CMOS逻辑的片上操作电压已经从12V下降到2V以下,同时晶体管体积也大大缩小。因为电压在工作功耗方程式中是二次函数,因此使用较低电压将对功耗带来显著的影响。

从硅芯片到软件 设计低能耗嵌入式系统

  电容作为可使总功耗降低的一项因子,虽然是线性,也大大受益于摩尔定律。对于给定的逻辑函数来说,更先进的生产工艺可提供比之前更小体积的电容,并且可获得更低的功耗。此外,还有一种先进的设计技术可以降低整体开关频率,这种技术被称为时钟门控。

  与其他技术相比,CMOS可以极大降低能源浪费,但同时存在漏电损耗。与工作模式功耗相比,漏电损耗以摩尔定律速率来增加,在所有低能耗应用中都要加以考虑,因为他与低占空比系统的非工作时间成正比。然而,和工作模式功耗一样,电路设计对真实漏电损耗产生动态影响。类似时钟门控,功率门控也能够大大减轻漏电损耗的影响,采用更多先进工艺的节点是低占空比系统的更好选择,即使是旧的工艺技术也可以获得更低的理论漏电损耗量。

  适用的生产工艺技术

  每一个特性集都有合适的生产工艺技术。关键在于,当装置长时间处于休眠模式时,仅仅依赖一种具有最低理论漏电损耗的生产工艺技术是不够的。在休眠模式,可以禁止为MCU中大部分部件供电,把漏电组件排除在方程式之外。当电路处于工作模式,漏电损耗是一个大问题,简单的方法是利用更先进和高效的晶体管所带来的优势进行弥补。

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