节能趋势下 32位元MCU有高效能更求低功耗

前言：MCU的未来，32位元MCU将是耀眼的明日之星，因此虽然众家厂商仍没有放弃8位元等目前主流市场，但是已经纷纷对32位元MCU加强研发，甚至连向来以8位元为主力的台厂，也都纷纷进军研制，让32位元MCU从过去的门可罗雀到今日已成战国时代群雄并起，而决胜的关键，除了更佳的价格效能比，低功耗的每瓦效能比更越来越受到重视。

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绝大多数的32位元MCU被看好成为未来MCU成长动能的原因，在于效能较高，扩充性较强，这些优点都是IT产业技术演进的必然趋势，但是在处理器的演进过程中，更高的效能往往代表更糟的功耗比以及更多的废热，而这两点不但影响MCU终端产品的电池使用时间等性能表现，本身可能就有易过热损坏等问题，因此32位元MCU在讲求高效能时，几乎都会强调更低功耗。

降低功耗这个议题乍看之下很简单，因为有不少8位元MCU即讲求超低功耗，在作法上，通常是采用效率较低的MCU达成，换言之运算速度没那麽快，自然能够降低功耗，但是将降低功耗这个议题针对32位元MCU，就比原本针对8位元的设计难度高很多，如32位元照8位元概念设计，可能也可以达到低功耗，但加入成本、周边、尺寸与其他变量，原先的设计可能完全作废，因此32位元的MCU如何降低功耗，实际上是一个相当新的问题。

MCU降低功耗设计 方法多条条大路通罗马

低功耗MCU是一个无可逆的趋势，但在设计上，是一个相当大的议题，并非一种作法出来就一体均沾，但都可以参考，再依照需求设计。低耗电MCU技术包括先进晶圆制程技术(可以降低电子的附生成分、材料、低电压)，以3D芯片为最终极制程，也包括高密度cell设计(降低电子附生成分)、多核心CPU方案、低耗电控制回路技术和先进组装技术(小型封装、Si)。低耗电控制回路技术，在供电控制方面，在不活跃的情况下可以分回路模式停止部分供电、依据不同的需求速度而改变供应电压、随装置变化及温度而供应适当的电压、一般时刻都是供应低电压和低电流，然而在极大负荷之下能自动转为高电压和高电流。

例如想达成高效的电压转换，现在的作法常用外部的调节器，但这个调节器几乎就等于一个MCU、且占用PCB空间，甚至MCU还必须耗能来管理它，合理的作法为MCU内的整合自动管理升压调节器，不仅可以避免由外部调节器带来的大多数成本和空间问题，而且相较采用外部DC-DC转换器，还能提供更高的功效。相同作法在电流控制亦然。

还有一些细节常常被忽略，例如，目前数码逻辑电路中的功耗主要分为两部份：漏电流和开关电流，32位元MCU的漏电流在目前的技术下，尚可忽略，但是开关电流可不一定，造成功耗的关键是开关瞬态，即一条信号在线的每次状态转换都会或多或少地消耗一定能量。因而，降低状态转换的速度(降低时脉)可降低功耗。但如果MCU因此必须执行更长的时间才能降低时脉，可能更耗能，关键在于控制软件的撰写。

例如根据应用的不同，透过编译可节省的指令周期数可能非常大。例如，一个鼠标每秒钟产生300次中断，这些中断会占用处理器所有工作周期的不到1%。而一个靠中断驱动且波特率为480,600bps的串行通讯埠每秒产生24,000个中断。如果采用传统每个中断需42条指令周期(即168个时脉周期)来保存和恢复中断背景的编译器，那麽每秒中断会占用超过403万2千个CPU周期，或可说会占用一个20MHz PIC16之20%的可用周期。

而如果采用全面程序码产生(omniscient code generation，OCG)技术的新型编译器则能选择性地只保存每个特定中断所需的暂存器，则每个中断平均只需21个指令周期(即84个时脉周期)，那麽CPU周期的占用量会降低至201万6千，在保存和恢复中断背景信息上节省一半的时脉周期，因而让CPU得以将其工作周期的10%用于睡眠模式。假设CPU在工作模式下电流为10mA，睡眠模式下为1uA，那麽OCG编译器就能将MCU的功耗降低约1mA，也就是10%。

各厂商节能设计例 现今节能需求观察重点

安谋国际科技(ARM)
ARM的IP是许多MCU的基础，因此ARM也推出可驱动新一代节能型MCU的超低功耗实体IP数据库。ARM 0.18μm超低功耗数据库(uLL)具备ARM Cortex处理器系列的内建电源管理优势，结合台积电0.18μm嵌入式快闪存储器 uLL/HDR「high data retention」制程，宣称可协助系统单芯片(SoC)设计人员进一步降低功耗漏损，幅度可达0.18μm G实作的10倍。

ARM低功耗存储器与超高密度标准元件数据库适合以Cortex-M设定档为基础的处理器，而 ARM 电源管理套件(PMK)可进一步发挥节能的优点。PMK 数据库可以多种方式大幅降低耗电，这些方式在多种电压下皆可支持功能区块动态运作，而功率闸极与隔离单元则支持休眠模式，并确保能够快速唤醒。这些数据库具备数据保留正反器 (data-retention flip-flops) 与随时开机单元。偏移单元可提供反偏压的连接，并且进一步减少漏损。所有的PMK数据库都能够达到最佳的节能效果。恩智浦半导体(NXP)即利用ARM架构设计出LPC1100系列MCU。

爱特梅尔(Atmel)
爱特梅尔推出的低功耗32位元快闪存储器(Flash)微控制器，以Atmel的AVR 32 UC核心为基础，在节能设计上，采用了三级管线型Harvard架构。该架构的专门设计可优化内建快闪存储器的指令存取。

它号称是首颗将单周期读写静态存储器(SRAM)与一个直接的CPU界面整合在一起的核心，这个CPU界面绕开了系统汇流排以实现更快的执行、周期决断以及较低的功耗。因此这个架构的产品AT32UC3A0512在2007年底推出时能够以66MHz的速率提供80 Dhrystone MIPS (DMIPS)的性能，且只需电压3.3V、电流40mA，其功耗低至1.65mW/DMIPS，较当时具有相同功能的其他架构低4倍。

瑞萨科技(Renesas Technology)
瑞萨科技推出的RX CPU核心的利用较快的处理效能，与较佳的编码效率(code efficiency)来节能，处理效能超越开发时所预定的1.25 MIPS/MHz达到1.65 MIPS/MHz，在执行相同的操作频率，效能约为瑞萨科技传统32位元CISC MCU的两倍，提高每瓦效能比，较佳的编码效率意指更精简的目的码大小，因此只需较少的存储器容量来存储目的码，也比较省电。

瑞萨科技达成0.03mA/MHz的CPU核心电流开发目标，而RX610 Group于100 MHz运作时的耗电流约为50mA (一般运作)。每1MHz操作频率所产生的耗电流，低于瑞萨科技传统产品的一半以上。RX610 Group同时提供四种省电(低功耗)模式，可透过选择适当的模式大幅降低系统功耗，以符合应用产品的需求。例如，在深待机模式(Deep Standby mode，当系统欲处于待机或类似状态时使用)时，耗电流大约只有3μA。

意法半导体(STMicroelectronics)
意法半导体将在2009年推出首批基于超低功耗平台的全新微控制器系列产品：STM8L和STM32L。这两款产品为拓宽8位元的STM8S和32位元的STM32F两个超低功耗产品线，可使快闪存储器动态功耗降至150μA/MHz和省电模式(HALT Mode)功耗最低300nA，并可同时保存SRAM和暂存器的内容。

在前述新技术平台上，130nm的低漏电数码晶体管可降低微控制器在正常作业模式和省电模式下的电流消耗。此外，创新的低功耗嵌入式非挥发性存储器可降低应用数据处理所需的功耗。加强型的类比晶体管可将作业电压降至1.65V，使芯片上的类比电路能够在低电压下作业。透过采用低作业电压内核和4μs超高速低功耗状态唤醒等技术，电源管理架构可在不同模式下达到省电的目的。最后，专有的数码数据库和全新的低功耗系统单芯片(SoC)设计流程将有助于意法半导体扩大超低功耗微控制器的产品范围，加快新产品上市时程。

合泰半导体(Holtek Semiconductor)
虽然台厂在32位元 MCU尚在起步阶段，不过合泰半导体已经展出采用采安谋(ARM)Cortex-M3架构的32位元处理器，虽然还在先求有，再求好的阶段，但是合泰半导体对于MCU节能设计概念，并非完全陌生。

合泰半导体早在3年前，为了顺应环保节能潮流，即推出以Tiny Power技术为核心的省电芯片产品，例如HT56R64 MCU，具有较低功耗、快速唤醒、多重时钟信号来源及多种工作模式等特点，可降低整体使用功耗，达到绿色环保的需求，虽然此技术是用在8位元MCU上，但是基于研发经验累积，让合泰半导体32位元MCU的节能设计，应该会比较快些。

实务上确认MCU节能效率的关键点

节能设计通常都会在纸上将自己的性能描述的天花乱坠，实际上有几个方式，可以判断出较准确的MCU节能效率。

确认工作范围内的效率：效率规格通常是根据MCU的最佳测量(最佳点)结果而不是负载电流电压上的结果给出。某个应用的典型工作范围可能使其位于较低效率的曲在线。此外，效率必须在电池的整个电压降范围上进行估算。

电池的安全工作范围：虽然MCU的耗电量也许相当小，但如果无法足够精确地测量电压和温度，那麽电池限值就可能被超过，导致电池受损及使用时间缩短。在确定设备可安全使用的电池能量时，精密度是一个关键因素。

调节器效率高低：无升压调节器的MCU有更高的效率规格，因为转换损耗隐藏在外部调节器中。此外，在单电池设计中，如果MCU没有整合调节器，切记把外部升压调节器的成本和设计复杂性考虑在内。

MCU在整个使用范围内的效率：在驱动大电流时，MCU的效率可能很高，但除非它有多个工作模式，否则在驱动低电流时，它的效率会很低。因此，如果应用并非经常需要大电流能力，总体效率便会降低。

节能规格是利用单还是多个电池测得：某些MCU规格会随着所用电池的数量而改变。例如，如果有多个电池，便可以避过使用内部升压调节器，因而提高效率。反之，在只使用单个电池时，利用多个电池获得的各种规格(如唤醒时间)可能会降低。

开发环境的成熟度：实现超低功率需要架构层的创新。基于全新架构的超低功率MCU常常最多只能提供仍在开发中的有限设计工具。由于软件开发是最重要的成本因素之一，设计工具的稳定性、完整性和功能性，在帮助开发人员有效地管理功耗，以及快速把产品投入市场时发挥了举足轻重的作用。