榜首部分硅芯片挑选
简介
规划低能耗体系时，咱们需求重视一些非传统要素，这些要素触及规模从硅芯片出产工艺技能，到根据单片机的嵌入式平台上所运转的软件。经过对体系层面的深入分析，本文讨论决议MCU能效的三个要害参数：作业形式功耗、待机形式功耗和占空比(他决议各种情况下所占用的时刻比率，由软件本身来决议)。
低能耗待
机情况使MCU看上去具有超高能效，但事实是，只需考虑了操控作业形式功耗的一切要素后才干决议MCU的能效情况。总归，关于处理工艺、IC架构和软件结
构挑选的权衡是非常奇妙的决议要素，有时会呈现意想不到的成果。此外，单片机上功用模块相结合的办法对全体能耗加以动态影响。即便对硬件完成看似小而细微
的改动，都或许会导致体系运转周期中全体能耗的大幅动摇。
低能耗运用
举几个运用示例。丈量和报警体系一般由单电池供电，并具有约10年的生命周期。在传感器读取操作上(在产品生命周期中或许发生几亿次)，小小的电流耗费增
长就或许会导致产品的实践运用寿命削减几年。而一个简略的烟雾报警器，需每秒检测一次空中烟雾粒子是否存在，在其生命周期中即将履行3.15亿次读取操
作。
简略烟雾报警器的作业份额或占空比是恰当低的。每次传感器读取操作或许花费时刻不超越几百微秒，而大部分时刻都耗费在其他方面，包含：校准和预备进程，单
片机唤醒模数转化器(ADC)和其他感应模仿器材，并等候其到达安稳情况点的时刻。在这种情况下，作业周期或许导致规划中的非活动情况时刻大约占总时刻的
99.98%。
传统的烟雾报警器比较简略。咱们来看一个更杂乱的RF规划，此规划中，数据成果经过传感器网状网络传输到主机运用中。传感器需求监听主节点的作业情况，由
此他能够发信号标明自己依然在网状网络中，或许为路由器供给当时所捕获信息。额定的作业纷歧定会影响整个占空比，相反，在活动周期中，运用更高功用的设备
还能够履行更多功用，由于高功用设备提高了处理速度(可经过运用更先进的架构和半导体技能完成)，与运转更多周期的慢速设备比较，快速设备具有更高能效。
规划要害在于了解工艺技能、MCU架构和软件完成之间的相互作用。
榜首部分：硅芯片挑选
CMOS能耗散布
简直一切的MCU都经过CMOS技能完成。任何作业逻辑电路的功耗可由公式CV2f决议，其间：C代表设备中开关电路途径上的总电容，V代表供电电压，f
代表操作频率。参见图1，电压和电容是出产工艺技能相关的因子。在曩昔的三十年中，CMOS逻辑的片上操作电压现已从12V下降到2
V以下，一起晶体管体积也大大缩小。由于电压在作业功耗方程式中是二次函数，因而运用较低电压将对功耗带来明显的影响。
电容作为可使总功耗下降的一项因子，虽然是线性，也大大获益于摩尔定律。关于给定的逻辑函数来说，更先进的出产工艺可供给比之前更小体积的%&&&&&%，而且可取得更低的功耗。此外，还有一种先进的规划技能能够下降全体开关频率，这种技能被称为时钟门控。
与其他技能比较，CMOS能够极大下降动力糟蹋，但一起存在漏电损耗。与作业形式功耗比较，漏电损耗以摩尔定律速率来添加，在一切低能耗运用中都要加以考
虑，由于他与低占空比体系的非作业时刻成正比。可是，和作业形式功耗相同，电路规划对实在漏电损耗发生动态影响。相似时钟门控，功率门控也能够大大减轻漏
电损耗的影响，选用更多先进工艺的节点是低占空比体系的更好挑选，即便是旧的工艺技能也能够取得更低的理论漏电损耗量。
适用的出产工艺技能
每一个特性集都有适宜的出产工艺技能。要害在于，当设备长时刻处于休眠形式时，只是依靠一种具有最低理论漏电损耗的出产工艺技能是不行的。在休眠形式，可
以制止为MCU中大部分部件供电，把漏电组件扫除在方程式之外。当电路处于作业形式，漏电损耗是一个大问题，简略的办法是运用更先进和高效的晶体管所带来
的优势进行补偿。
举例来说，与专用低功耗180nm出产工艺的漏电损耗比较，90nm出产工艺所发生的漏电损耗高五倍，但作业形式功耗低4倍，这是根据一个恰当大的数值来
核算。假定一个180nm工艺的单片机，其具有40mA作业电流耗费和60nA休眠形式功耗，与选用90nm工艺完成的功耗等级比较，90nm工艺单片机
作业电流功耗可下降到10mA，可是休眠形式电流却到达300nA。
在上面的比如中，关于90nm工艺MCU来说，为了取得更好的全体成效必须有0.0008%的活动时刻。换句话讲，假如体系每天有1秒钟活动时
间，90nm版别的成效大约是180nm版别的1.5倍。由此能够发现，当挑选一种出产工艺时，了解运用占空比是非常重要的。(参见图2。)
一旦恰当的工艺技能被选中，IC规划者具有进一步优化能效的选项。当时钟门控的概念初次推出时，只是大略的运用在规划中。时钟门控技能添加了规划杂乱性，由于电路规划人员要清楚特定时刻内，哪一条逻辑途径需求时钟信号。
时钟分配
大多数单片机完成选用分层结构，把时钟信号和恰当的电压电平分配到IC的每个部分。各功用单元(比如指令处理块和外围设备)组成不同的组。这些组经过别离
的时钟树和电源网络供给时钟信号和电源。每个组中的时钟信号来自于一个公共时钟源，然后分频或倍乘。假如不同组需求不同的电压，则传送到每个外设组的电压
由一系列功率晶体管和电压调节器操控，现在这种做法越来越遍及。
为了最大程度下降规划的杂乱性，MCU运用相对简略的时钟门控战略，只需功用组中没有任何功用单元处于作业情况，整个时钟树就封闭;此种情况下，依然答应
处于作业情况的组中，为没有履行作业的逻辑供给时钟信号。例如CPU内核中的加法器单元能够接纳时钟信号，即便当时是一条分支指令。加法器单元中由时钟信
号触发的开关添加了功耗，这是经过之前所述的CV2f公式中的一个因子引起的。
规划东西和技能的改善为人们带来优点：在运转周期中，当不需求时钟信号的外围设备或功用单元不履行操作时，能够添加时钟门控的操控精度。
电压缩放可进一步节约功耗，当需求时他可为特定功用单元组供给更低的电压。为一组功用单元或外设供给恰当电压的要害是运用片上电压调节器或DC-DC变换器，而且运用监督电路保证%&&&&&%操作在所需电压上。
供电准则
片上电压调节器为体系规划者供给更高的灵活性，能够从电池中取得更多的电荷。例如，一个片上开关降压变换器(现已集成在Silicon Labs SiM3L1xx
系列产品上)，能够把工业电池上的3.6V电压以超越80%的转化功率转化成1.2V。许多MCU没有此功用，而运用线性元件降压到恰当的电平，这造成了
巨大的糟蹋。在先进的技能中，当电池放电到不能再履行转化功用时，降压型稳压器能够封闭。因而电源能够在设备的整个生命周期中优化动力功率，一切这些都可
在软件操控下完成。
定论
低能耗体系规划是一个全体的规划进程，需求挑选适宜的硅芯片、软件和开发东西。经过把握这些变量要素之间的联系，体系工程师能够开宣布更高功用和高能效的嵌入式体系，打破电池供电型运用的许多约束。
“从硅芯片到软件— 规划低能耗嵌入式体系”的第二部分探讨了开发人员为完成最低功耗而优化嵌入式体系时，需求考虑的软件规划准则。
