測量和優(yōu)化超低功耗

    我們首先解釋如何測量它。開發(fā)人員通常會查看數(shù)據(jù)手冊，在其中可以找到每MHz的電流值，以及不同睡眠模式下的電流值。

第一個問題是，查看工作功耗時，數(shù)據(jù)手冊通常不會解釋獲得該值的條件。例如代碼、電壓和閃存上的等待狀態(tài)。有些供應(yīng)商使用工作模式參考，例如EEMBC CoreMark，而有些供應(yīng)商則使用像"while 1"語句一樣簡單的操作。如果閃存上有等待狀態(tài)，則微控制器單元的性能會降低，增加執(zhí)行時間，從而提高執(zhí)行任務(wù)的能耗。有些供應(yīng)商提供典型電壓時的數(shù)值，有些提供最低電壓時的數(shù)值，還有些供應(yīng)商不指定任何電壓。也許這些差異很微妙，但沒有一個標(biāo)準(zhǔn)的話，比較只能是大致上的對比。

通常，深度睡眠模式在數(shù)據(jù)手冊中有相當(dāng)詳細的解釋，但同樣，獲得這些模式下的電流消耗的條件因供應(yīng)商而異（例如保留的內(nèi)存量或電壓）。此外，在實際應(yīng)用中，用戶還必須考慮進入和退出這些模式所消耗的電能。這可能是一個微不足道的值，也可能事關(guān)重大，取決于器件是大部分時間處于睡眠模式還是頻繁喚醒。

第二個問題是器件有多長時間處于睡眠狀態(tài)？工作模式和睡眠模式之間的平衡對于確定ULP測量非常重要。為了簡化該過程，EEMBC對其ULPMark-CoreProfile (ULPMark-CP)使用1秒鐘時間；這是一項基準(zhǔn)測試，許多微控制器廠商將其用作數(shù)據(jù)手冊的標(biāo)準(zhǔn)。注意：使用1秒的決定被視為EEMBC工作組的共識?？紤]到ULPMark-CoreProfile工作負載的工作時間，占空比將為98%左右。在該基準(zhǔn)測試中，器件每秒喚醒一次，執(zhí)行少量工作（工作周期），然后回到睡眠狀態(tài)。

通常，在工作模式下，模擬電路會導(dǎo)致電流消耗存在偏移；因此，使工作電流最小并有效使用深度睡眠模式對優(yōu)化整個系統(tǒng)的電能使用是有意義的。請注意，降低頻率會降低工作電流，但時間會增加，前面提到的模擬電路造成的偏移在微控制器處于工作狀態(tài)時保持不變。但是，微控制器不同選擇的利弊是什么？應(yīng)用的占空比和深度睡眠電流對消耗的電能有何影響？

超低功耗測試平臺

     微控制器——ADuCM4050 和 ADuCM302x的超低功耗（電能）特性。在ULPMark節(jié)課表中， ADuCM4050和ADuCM302x的得分分別為203和245.5。請記住，該基準(zhǔn)測試僅操作微控制器單元的核心（因此得名CoreProfile）。如何解釋18%的差異？

ADuCM4050包含一個采用ARMv7E-M架構(gòu)的ARM? Cortex?-M4F。ADuCM302x包含一個采用ARMv7-M架構(gòu)的ARM Cortex-M3。雖然兩個內(nèi)核均有帶分支推測的三級流水線，并且兩者的指令集架構(gòu)相似，但只有Cortex-M4F支持DSP和浮點指令。ULPMark-CoreProfile沒有DSP指令，因此Cortex-M4F器件沒能發(fā)揮FPU的優(yōu)勢。

對于基準(zhǔn)分析，ADuCM4050和ADuCM302x分別工作在52 MHz和26MHz。ADuCM4050需要大約11,284個周期來執(zhí)行ULPMark工作負載，ADuCM302x需要10,920個周期，這意味著前者在1秒周期的217μs內(nèi)完成工作模式部分，而后者的工作時間為420 μs。ADuCM4050使用的周期數(shù)比ADuCM3029多的原因是所用頻率不同（分別為52 MHz和26 MHz），ADuCM4050的閃存需要一個等待狀態(tài)，而ADuCM3029的閃存上沒有等待狀態(tài)。ADuCM4050具有高速緩存，因此在閃存上增加等待狀態(tài)不會有太大影響，因為許多指令是從高速緩存執(zhí)行，可以全速(52 MHz)存取而無需額外的等待狀態(tài)。關(guān)于執(zhí)行時間，同預(yù)期一樣，ADuCM4050執(zhí)行工作負載的速度比ADuCM3029更快，因為其運行頻率是ADuM3029的兩倍。

超低功耗mcu-低功耗mcu的選擇方法

嵌入式微控制器 （mcu）的功耗在當(dāng)今電池供電應(yīng)用中正變得越來越舉足輕重。大多mcu 芯片廠商都提供低功耗產(chǎn)品，但是選擇一款最適合您自己應(yīng)用的產(chǎn)品并非易事，并不像對比數(shù)據(jù)表前面的數(shù)據(jù)那么簡單。我們必須詳細對比 mcu 功能，以便找到功耗最低的產(chǎn)品，這些功能包括：斷電模式、 定時系統(tǒng) 、事件驅(qū)動功能、 片上外設(shè)、 掉電檢測與保護、 漏電流處理效率。

在低功耗設(shè)計中，平均電流消耗往往決定電池壽命。例如，如果某個應(yīng)用采用額定電流為 400mAh 的 Eveready 高電量 9V 1222 型電池的話，要提供一年的電池壽命其平均電流消耗必須低于 400mAh/8760h，即45.7uA。

在使 mcu 能夠達到電流預(yù)算的所有功能中，斷電模式最重要。低功耗 mcu 具有可提供不同級別功能的斷電模式。例如，TI 超低功耗 mcu MSP430 系列產(chǎn)品可以提供 5 種斷電模式。低功耗模式 0 （LPM0） 會關(guān)閉 CPU，但是保持其他功能正常運轉(zhuǎn)。LPM1 與 LPM2 模式在禁用功能列表中增加了各種時鐘功能。LPM3 是最常用的低功耗模式，只保持低頻率時鐘振蕩器以及采用該時鐘的外設(shè)運行。LPM3 通常稱為實時時鐘模式，因為它允許定時器采用低功耗 32768Hz 時鐘源運行，電流消耗低于 1uA，同時還可定期激活系統(tǒng)。最后，LPM4 完全關(guān)閉器件上的包括 RAM 存儲在內(nèi)的所有功能，電流消耗僅 100 毫微安。

時鐘系統(tǒng)是mcu功耗的關(guān)鍵。應(yīng)用可以每秒多次或幾百次進入與退出各種低功耗模式。進入或退出低功耗模式以及快速處理數(shù)據(jù)的功能極為重要，因為 CPU會在等待時鐘穩(wěn)定下來期間浪費電流。大多低功耗 mcu 都具有“即時啟動”時鐘，其可以在不到 10～20us 時間內(nèi)為 CPU 準(zhǔn)備就緒。但是，重要的是要明白哪些時鐘是即時啟動、哪些非即時啟動的。某些 mcu 具有雙級時鐘激活功能，該功能在高頻時鐘穩(wěn)定化過程中提供一個低頻時鐘（通常為32768Hz），其可以達到 1 毫秒。CPU 在大約 15us 時間內(nèi)正常運行，但是運行頻率較低，效率也較低。如果 CPU 只需要執(zhí)行數(shù)量較少的指令的話，如：25 條，其需要 763us。CPU 低頻比高頻時消耗更少的電流，但是并不足于彌補處理時間的差異。相比而言，某些 mcu 在 6 微秒時間內(nèi)就可以為 CPU 提供高速時鐘，處理相同的 25 條指令僅需要大約 9us（6us 激活＋25 條指令′0.125us指令速率），而且可以實現(xiàn)即時啟動的高速串行通信。

另外，如果 mcu 時鐘系統(tǒng)為外設(shè)提供多個時鐘源的話，當(dāng) CPU 處于睡眠狀態(tài)時外設(shè)仍然可以運行。例如，一次 A/D 轉(zhuǎn)換可能需要一個高速時鐘。如果 mcu 時鐘系統(tǒng)提供獨立于 CPU 的高速時鐘，CPU 就可以在 A/D 轉(zhuǎn)換器運行情況下進入睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省 CPU 耗流量。

事件驅(qū)動功能與時鐘系統(tǒng)的靈活性并存。中斷會使 mcu 退出低功耗模式，因此，mcu 的中斷越多，其防止浪費電流的 CPU 輪詢與降低功耗的靈活性就越大。輪詢意味著進行與不進行功耗預(yù)算之間存在差異