最詳盡32位MCU低功耗設(shè)計(jì)考量與經(jīng)典范例參考（二）

低功耗 MCU 設(shè)計(jì)考量

　　制程選擇

　　為了達(dá)到低功耗的運(yùn)作，并能有效地在低耗電待機(jī)模式下，達(dá)到極低的待機(jī)功耗，可以透過(guò)對(duì)制程的選擇而站上基本的要求門(mén)檻。在不強(qiáng)調(diào)速度極致的某些制程分類(lèi)，選擇極低元件截止電流制程（如下圖）進(jìn)行邏輯閘制作，并進(jìn)行數(shù)位設(shè)計(jì)是方法之一。選擇這種策略的額外效益是，通常也能在降低動(dòng)態(tài)操作電流上，達(dá)到較佳的表現(xiàn)。另外，由于高溫大幅增加靜態(tài)電流，當(dāng)溫度由攝氏25度增加到攝氏 85度時(shí)，一個(gè)典型比例約增加 10 倍的靜態(tài)電流，以非低功耗 0.18 微米制程開(kāi)發(fā)的 32 位元 MCU，邏輯閥門(mén)數(shù) 200K、4KB SRAM 在核心電壓 1.8V、攝氏25度的靜態(tài)耗電約為 5 ~ 10 微安，當(dāng)溫度升高到攝氏 85度時(shí)，靜待電流將會(huì)飆高到 50 ~100 微安。而低功耗制程在攝氏85度僅約 10微安靜態(tài)電流。

低功耗高效能的 CPU內(nèi)核

　　早期低功耗 MCU 受限于成本及制程技術(shù)，大都選擇 8 位元 CPU 內(nèi)核，但隨著工業(yè)上的智能化也在展開(kāi)，如遠(yuǎn)端監(jiān)控，數(shù)位化、網(wǎng)路化等。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，就是人物之連結(jié)（云端應(yīng)用）、物物之連結(jié)（物聯(lián)網(wǎng)） 需求越來(lái)越多，導(dǎo)致產(chǎn)品功能越來(lái)越復(fù)雜，運(yùn)算量越來(lái)越高，8 位元 MCU 已逐漸無(wú)法滿足效能需求。 為了兼顧低功耗高效能，選擇適用的 32 位元 CPU 內(nèi)核乃大勢(shì)所趨。

　　選擇低功耗CPU 內(nèi)核，除了單位頻率耗電流外，還需要綜合考量緊湊的低記憶體代碼，相同功能所需的代碼越長(zhǎng)，除了增加記憶體成本，也代表更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間及功耗。另外，由于軟件開(kāi)發(fā)成本在后期將會(huì)越來(lái)越高，大量的參考代碼及更多的第三方開(kāi)發(fā)商的支持，都可以有效降低軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間及成本。所以選擇一款更多人使用的 CPU 內(nèi)核也是重要的考量之一ARM Cortex-M0閥門(mén)數(shù)僅 27K，使用的電量在 1.8V，超低泄漏 180ULL （Ultra LowLeakage） 僅約50μA/MHz。M0 內(nèi)核采用Thumb2指令集架構(gòu)，產(chǎn)生出非常緊湊的低記憶體代碼，進(jìn)一步降低了電源需求。ARM自 2009 年發(fā)表了32位元Cortex-M0內(nèi)核以來(lái)，包括 NXP、新唐科技、ST、Freescale等多家國(guó)內(nèi)外 MCU 大廠相繼投入Cortex-M0 MCU 開(kāi)發(fā)，不論供貨或者品種的齊全度都已十分成熟，投入Cortex-M0的 MCU 開(kāi)發(fā)商也在持續(xù)增加中。

　　低功耗數(shù)位電路

　　對(duì)于一般的同步數(shù)位電路設(shè)計(jì)，要使數(shù)位單元有效降低操作電流，透過(guò)控制時(shí)鐘的頻率或截止不需要的時(shí)鐘跳動(dòng)，也是重要的方法。低功耗MCU通常配備豐富的時(shí)鐘控制單元，可對(duì)各別的數(shù)位周邊單元，依照需求做降頻或升頻的操作調(diào)整，在達(dá)到運(yùn)作能力的同時(shí)，用最低的頻率來(lái)運(yùn)行。但為了達(dá)到更彈性的時(shí)鐘源配置，可能導(dǎo)致 CPU 內(nèi)核和周邊電路時(shí)鐘不同步的現(xiàn)象，此時(shí)必須仔細(xì)考慮電路設(shè)計(jì)，保證跨時(shí)鐘領(lǐng)域資料存取的正確性。

　　另外為了盡量降低 CPU介入處理時(shí)間或降低 CPU 工作頻率而節(jié)省下來(lái)的功耗，可以提供 DMA 或周邊電路相互觸發(fā)電路進(jìn)行資料的傳遞，例如Timer 定時(shí)自動(dòng)觸發(fā) ADC 或 DAC，并透過(guò) DMA 進(jìn)行資料由 ADC 到 RAM 或者 RAM 到 DAC 的搬移，同時(shí)在 ADC 的輸入可以增加簡(jiǎn)單的數(shù)字綠波及平滑化電路，如此不須要 CPU 經(jīng)常介入處理，也不會(huì)因?yàn)樾枰磿r(shí)處理 ADC 或 DAC 事件導(dǎo)致中斷程序占用太多時(shí)間，降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。

　　支援多種工作模式

　　為了配合不同的應(yīng)用需求，并達(dá)到系統(tǒng)平均功耗的最小化，低功耗 MCU需要提供多種操作模式，讓使用者靈活調(diào)配應(yīng)用，常見(jiàn)的操作模式有下列數(shù)種：

　　正常運(yùn)行模式：CPU 內(nèi)核及周邊正常工作，能即時(shí)改變 CPU 及周邊的工作頻率 （On the Fly） 或關(guān)閉不需要的時(shí)鐘源以獲得最佳的工作效能。