Energy Micro让EFM32 MCU 实现超低功耗的10个理由

Energy Micro EFM32系列产品深度睡眠模式下的电流功耗为900nA，关闭模式下为20nA。

身为微控制器市场的新进者，Energy Micro以超低功耗及容易设计的特色获得嵌入式应用的肯定，在短短数年间，其EFM32系列产品已打入全球市场，例如自2009年底在欧洲市场开始推广后，已经在多个工业或消费电子领域获得许多基于低功耗应用的客户青睐，如血糖仪、水表/电表、GPS、RF应用、安防产品与楼宇自动化(Building automation)等，近期更进一步在美国与韩国市场获得重大突破。

在Energy Micro MCU Forum中，该公司资深应用工程师Amen Leung指出，EFM32系列的核心选用市场上相当广泛被接受的ARM Cortex-M3及Cortex-M0，两种核心皆具备高效能、低功耗的特性，而且支持产品的延展性。ARM公司提供的软件及工具兼容于Cortex-M系列核心，并支持Thumb-2指令集，因而让程序码更为精简。其中Cortex-M3支持1.25 DMIPS/MHz效能表现，Cortex-M0则为0.9 DMIPS/MHz，而且百分之百支持C语言，不须编写组合语言。

看重ARM核心的优势，目前已有许多大厂选择Cortex-M3及Cortex-M0做为其微控制器的处理器运算核心。在众强环伺的市场中，EFM32微控制器为何仍能杀出重围并交出亮丽的成绩单呢？Amen Leung详尽剖析了EFM32为何能做到卓越节能表现的10个理由。

让处理器尽量休眠的低功耗策略

「系统功耗是工作与休眠模式下消耗能量的总合，因此，我们的诀窍就是想办法让处理器核心长时间休眠，即使要工作，也要快速唤醒，再赶快完成工作。」Amen Leung一语道破Energy Micro的设计策略。这个原则说来简单，但需要许多条件的配合才能做到尽善尽美的表现。

让EFM32能实现超低功耗的10个理由，分别是极低的工作耗能、降低运作时间、快速的休眠唤醒时间、极低待机电流、自主周边操作、周边反射系统(Peripheral Reflex System，PRS)、架构良好的能源模式、高效能周边装置、先进能源监控功能及能源传感软件、简易快速的产品开发工具等。

进一步来看，EFM32 MCU从休眠到唤醒工作所需的时间只要2μs，深度睡眠模式下的电流功耗为900nA，关闭模式下为20nA，这些表现已远优于市面上的其他产品。但这只是EFM32 MCU的基本特性，它们还支持自主周边操作及周边反射系统，让处理器尽量处于休眠状态，但周边元件仍能自主且协同地完成一些工作。

「五段式的能源架构，也是我们的一大特色，此架构让系统能依需求弹性地调整能源应用模式，有助于大大提升节能的成效。」Amen Leung以Tiny Gecko为例指出，这5个模式分别是EM0的Run Mode，功耗为160μA/MHz；EM1的Sleep Mode，功耗为45μA/MHz；EM2的Deep Sleep Mode，功耗为900 nA；EM3的Stop Mode，功耗为600 nA；EM4的Shutoff Mode，功耗只有20 nA。

透过最佳化的系统配置，这5种能源模式可分别运作于系统的每个元件当中，针对处理器与存储器、时脉、电力系统、串行界面、I/O埠、定时器和触发器、类比模块及安全机制进行弹性的工作管理，在工作效率与功耗表现上达到最理想的平衡点。

「能实现这种弹性的低功耗工作模式，主要仰赖独创的周边反射系统。」Amen Leung说明指出，当主处理器进入休眠状态，但又需要工作时，会由Reflex Producer(如Timer或GPIO)透过PRS系统对Reflex Consumer(如ADC或DAC)发出触发信号，直接启动并完成工作。

用心思考节能的每个可能性

除了让主处理器尽量休眠、五段式的能源模式及弹性的周边元件，Energy Micro还强调周边元件也要做到节能的诉求，因此不论是定时器、UART界面、存储器、ADC、DAC，或传感器界面，都具备极低功耗的运作特性。举例来说，EFM32系列支持低功耗传感器界面(Low Energy Sensor Interface，LESENSE)，可在微控制器处于微安级电流以下的深度睡眠模式时，自动监控最多16个外部传感器。

「另一个重要的节能策略，则是为系统提供一组备援电力工作区。」Amen Leung表示，在主电源关闭的情况下，这时EFM 32系列控制器会自动切换到备援电力状态，此一备援系统支持32-bit备援RTC和512-byte备援暂存器。

再从一个例子来看Energy Micro对节能设计的用心。今日的嵌入式系统对安全性非常重视，因此往往会针对收发的信息进行加解密的工作。然而，当安全性的要求愈高，加解密工作的负荷就会愈重，如果透过软件来执行此项任务，势必会占用微控制器的许多资源。因此，该公司特别引入硬件加解密的作法，可以做到128/256-bit keys@ 54/75 cycles的表现，比起软件式的作法足足快了20─80倍之多。

在产品线方面，Amen Leung总结指出，目前Energy Micro的EFM32微控制器系列共发表了25款Gecko、23款Tiny Gecko、48款Giant Gecko和20款Zero Gecko。除了基本款的Gecko及精简版的Tiny Gecko和Zero Gecko外，Giant Gecko强调对LCD的支持性，特别适用那些对于具有高存储器要求的能源敏感应用，它提供可达1024KB的快闪存储器配置，并可选择增加嵌入式USB连接。

由于这些产品皆符合软件兼容性及各类封装的接脚兼容性，因此设计师可以利用现有的Gecko微控制器来开发产品，并在生产较高记忆部分时转到Giant Gecko上，或快速进行其他延伸性的开发案件。