反映全球低功耗趨勢，微控制器制造商正面臨越來越大的壓力，以降低其 MCU 的功耗；當前的“沙中線”為 100 μA/MHz。

　　但為什么這對原始設備制造商來說變得如此重要，更重要的是，這在實踐中的可實現性如何？IDM 為實現超低功耗運行做了哪些工作？選擇具有低功耗特性的設備只是故事的一部分。同樣重要的是如何實現和構建 MCU 的 CPU 以提供超低功耗操作。

　　本文將著眼于這一趨勢，考察德州儀器（ MSP430FR5720 ）、飛思卡爾（ MKL15Z128VLK4-ND、MKL2??5Z128VLH4-ND ）、NXP （ LPC1100L ）、Energy Micro （ Gecko ）、Atmel （ UC3 L 系列） 和Silicon Labs （ SiM3Lxx ），并查看現有解決方案，這些解決方案可能同樣能夠通過良好的設計實現超低功耗運行技巧。

　　迄今為止，OEM 從 8 位微控制器到 32 位微控制器的遷移路徑主要基于中長期觀點，即假設應用程序只會變得越來越復雜，因此在某些時候需要采用更強大的架構。

　　這個論點通常被簡化為“軟件級別的復雜性不斷提高”，其中大部分是有根據的；近年來取得的許多效率提升主要是通過工業控制應用中使用的更復雜的算法實現的。此外，OEM 現在需要更高級別的連接，這通常需要復雜的協議。很少有人會爭辯說，功能更強大的微控制器 （MCU） 能夠輕松集成這種復雜性和連接性，無需額外的分立器件即可提供顯著優勢。

　　曾經屬于微處理器領域的現代 32 位架構現在支持一系列功能強大且功能強大的 MCU，其特點是在 MCU 中部署 ARM? 的 Cortex?-M 系列內核，現在成本低至 0.50 美元/每個在生產量。然而，自問世以來，32 位 MCU 就面臨著整個行業的強烈抵制。通過 32 位產品的發展和改進，阻力已被系統地削弱。32 位設備在很多方面都比 8 位設備做得更好。

　　然而，最新的，也許是最長的爭論點是功耗。誠然，您不會白白得到任何東西，并且某些應用程序能夠接受系統功率的整體增加，如果它能夠實現客戶價值的整體和相應的增加，這反過來可以提供競爭優勢或提高利潤率。然而，一些應用程序——尤其是那些由低端 MCU 服務的應用程序——無法接受增加的系統功率，設備制造商正是在這里集中精力進行改進。

　　最新的攻擊角度是強調有功功率，即 MCU 實際執行某些操作時消耗的系統功率量。有功功率是 32 位 MCU 的“房間里的大象”，因為它們通常以比 8 位設備更高的頻率運行，主要是因為它們的 RISC 指令周期比 8 位“獲取-執行”方法更復雜。

　　因此，工程師們開始看到聲稱提供低于 100 μA/MHz 有功功耗的 32 位器件。雖然這無疑可以節省整體系統功耗，但它仍然是一個相對術語。許多 32 位設備的運行頻率約為 80 MHz，使有功功率高達 8 mA，并將其帶回到舊 8 位設備的范圍內。那么設備制造商還使用哪些其他方法來最小化 32 位設備的功耗呢？

　　核心優勢

　　當使用像 ARM 的 Cortex-M 系列這樣的商品化 IP 時，很難在內核級別進行區分。然而，并非所有設備制造商都針對其超低功耗產品在此架構上進行了標準化。德州儀器 （TI） 繼續推廣其 16 位系列 MSP430 的優勢，該系列現在具有超低功耗版本，代號為 Wolverine （MSP430FR57xx）。

　　該系列的獨特之處在于它用傳統的嵌入式閃存替代了不太傳統的 FRAM（鐵電 RAM）。TI 聲稱，與基于 32 位閃存的器件相比，這顯著降低了系統功耗，使其有功功耗低于“100 μA/MHz”行業基準。例如，MSP430FR5720記錄為提供 81.4 μA/MHz 的典型功耗。

　　在 ARM 陣營中，飛思卡爾和 NXP 現在都提供基于最新 Cortex-M0+ 超低功耗內核的設備，這兩款產品都聲稱達到了低于 100 μA/MHz 的功率點。兩者都已經在市場上提供低功率產品。

　　飛思卡爾憑借其 Kinetis L 系列率先將其 Cortex-M0+ 部件（由于是 ARM 新架構的主要設計合作伙伴）推向市場。Digi-Key 提供一系列 Kinetis L 設備，包括MKL15Z128VLK4-ND和MKL25Z128VLH4-ND. 飛思卡爾 Kinetis L 系列中的所有器件都具有運行頻率高達 48 MHz 的 Cortex-M0+ 內核，該內核集成了一系列時鐘模式，可在軟件控制下將開關活動限制在內核的不同部分。正確理解和使用這些時鐘模式可以顯著降低器件消耗的有功功率。

　　恩智浦最近發布了其 Cortex-M0+ 系列，已經提供了一系列基于現有 Cortex-M0 內核的 MCU，包括LPC1100L系列。盡管該系列采用較舊版本的內核，但它仍然提供 ARM 固有的以功耗為中心的低功耗處理方法，并集成了一系列功能以最大限度地降低有功功耗。

　　例如，LPC1100L 集成了許多預配置但靈活的“電源配置文件”，可以修改和控制設備的時鐘域。它們以駐留在設備 ROM 中的軟件例程的形式呈現，這意味著配置文件可以通過應用程序代碼中的簡單 API 調用來啟動。它們旨在提供 CPU 性能、CPU 效率和有源電流的最佳組合，在整個電源電壓范圍（1.8 V 至 3.6 V）內提供最大工作頻率。API 的重點是降低有功電流，同時保持 CPU 性能提高，NXP 聲稱基準測試顯示，通過使用電源配置文件，功耗降低了 30%。

　　NXP 的低功耗 LPC1100L 系列基于較舊的 Cortex-M0 內核，集成了一些出色的低功耗技術。

　　然而，正如接下來將要展示的，除了優化的內核之外，設備制造商還可以采用許多其他技術來降低有功功率。

　　外設視覺

　　雖然原始處理能力在 MCU 應用中變得越來越重要，但任何微控制器的關鍵屬性仍然是其外設集。在傳統架構中，內核及其外圍設備以“握手”方式協同工作，其中數據從外圍設備傳遞到內核，然后通過外圍設備返回到更大的系統。

　　盡管這種方法在響應時間和吞吐量方面無疑是有效的——并且完美地描述了 MCU 的初衷——但它反映了典型應用要求不高且工程師開發節能解決方案的壓力較小的時代。現代 32 位 MCU 現在針對要求更高的應用，同時努力保持“低功耗”，這個術語越來越被過度使用和不合理。然而，大多數制造商都明白，如果 MCU 系列不完全滿足低功耗操作的需求并提供創新技術來實現它，超出內核，他們不太可能獲得設計勝利。一個越來越流行的解決方案是減少核心做任何事情的需要，前提是核心可以保持不活動的時間越長，較低的整體功耗將保持不變。該理論正在通過能夠自主運行的外圍設備實現。

　　隨著此功能的發展，制造商已對其進行了擴展，以允許外圍設備在內核保持深度睡眠模式時相互交互，甚至可以通過標志和寄存器修改自己的行為。

　　該領域的先驅是 Atmel 及其 picoPower 技術。Atmel 實施 picoPower 的第一個 32 位系列是UC3 L 系列，它基于其專有的 AVR 內核。它使用 DMA（直接內存訪問）控制器，允許外設通過專用且確定性的背板相互傳遞數據，使其適用于實時應用程序，但無需使用內核。

　　另一家實施自主外圍設備的制造商是 Silicon Labs，他們開發了SiM3Lxx基于超低功耗 ARM Cortex-M3 的系列，將這一概念更進一步，引入了數據傳輸管理器 （DTM） — 允許在多個階段配置和控制多個外設，而無需任何 CPU 干預。DTM 使用狀態驅動配置增強了標準 DMA 的更基本功能。

　　Silicon Labs 的 Precision32 系列是該公司的第一款 ARM Cortex-M 產品，具有自主外圍設備。

　　睡眠行走

　　自主外設的主要目標是讓 MCU 的內核更長時間地保持在更深的睡眠狀態。在許多應用中，MCU 是反動的；只有在對外部刺激做出反應時才需要操作。將初始處理和決策轉移到更“智能”的外圍設備，這些外圍設備僅在刺激滿足預定參數時才喚醒內核，從而無需定期喚醒內核以檢查可能發生的事件的“內務管理”循環。另一方面，自主外圍設備會在需要時產生中斷，讓內核進入睡眠狀態。

　　Energy Micro 是最早采用這種方法的制造商之一，它在其“超低功耗”MCU 系列中使用了 Cortex-M3 內核。Gecko系列實現了在內核和主系統時鐘有效關閉時保持活動的自主外圍設備，而是依靠獨立的較低頻率時鐘源來保持外圍設備活動，而無需內核干預。當啟用中斷請求功能時，自主外設僅在需要處理數據時才能喚醒內核。

　　Energy Micro 是自主外圍設備的先驅，現在提供其 Gecko 系列的封裝越來越小。

　　Atmel 的 picoPower 技術也包含此功能，它實際上將其稱為 SleepWalking。本質上，它使外圍設備能夠根據外圍設備的能力做出“決策”；例如，如果輸入超過預先配置的限制，ADC 可以啟動中斷。

　　這些功能是對現代 MCU 中現有標準過多的睡眠模式的補充，尤其是那些具有 32 位內核的睡眠模式。雖然 ARM 負責其中許多低功耗模式，但制造商通常需要實施一個系統范圍的解決方案，該解決方案考慮到將內核置于睡眠模式的影響。最終，這意味著從內核及其子系統內的各個域中移除電源和/或時鐘信號。為外設提供單獨的時鐘域現在被視為“標準”，但它仍然是一項相對較新的功能，并且由于需求減少，8 位設備可能不太可能開發該功能，并且可能認為 8 位的壽命設備。

　　概括

　　具有諷刺意味的是，盡管設備制造商竭盡全力將 OEM 遷移到更高性能的 32 位 MCU 架構，但設備制造商仍然需要付出巨大的努力，以使這些設備盡可能長時間地保持非活動狀態，同時在它們運行時保持非常低的功耗。變得活躍。然而，這種二分法只能通過增加核心級別的設備功率和通過更復雜的外圍設備來實現。如果投資于 8 位架構，這種水平的設計努力似乎不太可能獲得回報，這意味著他們的日子真的屈指可數——無論行業是否喜歡。

　　當然，設備制造商致力于持續供應；許多 8 位器件用于工業應用，它們的商業壽命已經很多年了，制造商不太可能在沒有充分理由的情況下強迫客戶遷移到 32 位系列。

　　雖然下一波 MCU 將以更低的有功功率（目前為 100 μA/MHz）展開競爭，但市場上已經有多種低功耗解決方案可以量產，這讓工程團隊相信無論他們采用何種解決方案選擇，它很可能在路線圖上進一步降低功耗。