生活在边缘的微控制器的挑战

从高度简化的角度来看，物联网 （IoT） 的结构由三个概念元素组成：边缘节点、网关节点或集线器，以及云或数据中心。边缘节点是物联网中的“事物”。边缘节点在互联网或本地网络的虚拟数字世界与真实模拟世界之间提供接口。根据应用程序，边缘节点可以收集数据、接收数据或两者兼而有之。如果它是一个收集器，边缘节点通常从传感器（或传感器）获取数据，处理数据，并将其传输到网络。如果事物从网络接收数据，它会处理数据并以某种方式驱动连接的传感器。

边缘节点的功能可以用四个特征来描述。一个特征是它用于将现实世界信息转换为电信号的传感器类型，反之亦然（例如，温度、压力、血液化学或脑电波）。表征边缘节点的另一种方法是通过它用于连接传感器和处理器或微控制器 （MCU） 的接口，例如使用 SPI/I2C、GPIO、PWM 或 ADC/DAC。边缘节点的功能还通过使转换器信息适应网络所需的处理来描述，反之亦然（例如，加密、压缩、纠错、协议栈和数据分析）。最后，边缘节点可以通过其通信机制和用于在事物和网络之间发送或接收信息的协议来描述。

对边缘节点进行分类

边缘节点可以根据其应用领域或多或少任意分组。例如，家庭自动化包括用于控制或监控家庭或办公室系统和设备的任何东西，例如照明或环境控制或电器（例如冷冻机、洗衣机、咖啡机、火警）。另一方面，“可穿戴”或“便携式”是指在使用时穿戴或携带在人身上的任何东西。示例包括智能手表、智能眼镜、心率监测器、计步器、GPS 跟踪设备、血糖监测器、音乐或视频播放器以及无线耳机或麦克风。还有健康、环境等类别，当然还有传统的机器对机器 （M2M） 应用。类别之间有相当程度的重叠，

许多边缘节点，尤其是在“可穿戴”领域，都是超低功耗 （ULP） 应用。这些应用程序的特点是由电池供电，活动时间短，偶尔会穿插长时间不活动，并且可能不经常进行人为干预。超低功耗突出了能源效率作为此类设备的关键性能标准，并规定了数周、数月、数年甚至数十年的电池寿命。

用于物联网应用的 ULP MCU

现在您已经消化了本节子标题的所有首字母缩略词，回想一下我们之前的讨论，生活在边缘的许多“事物”必须利用 ULP MCU 来处理用户界面、收集和传输传感器数据、提供安全功能以及管理其他任务。“事情”设计人员面临的一个问题是确定这些 MCU 是否经过优化以满足其应用的性能和效率要求，从而实现预期的较长电池寿命。

超低功耗对不同的应用意味着不同的东西。在某些情况下，当电源受到严格限制（例如，能量收集）时，需要最低有效电流。或者，当系统大部分时间处于待机或睡眠模式时，需要最低的睡眠电流，不经常（定期或异步）唤醒以处理某些任务。此外，ULP 还意味着高能效，因此大部分工作都在有限的时间内完成。总体而言，该应用程序将需要对上述所有内容进行组合或权衡。

有许多因素可以使 MCU 获得 ULP 称号。一个因素是通过 MCU 外设提供的智能类型和程度。例如，我们前面提到的 SPI、GPIO、PWM 和 ADC 等外围设备，如果供应商设计正确，可以显着帮助减轻 CPU 负载，从而使设备在睡眠模式下花费更多时间。还有一种趋势是从 8 位和 16 位 CPU 转向 32 位 CPU，以帮助更快地执行活动模式任务。任务执行得越快，消耗的能量就越少，因为由于静态电流而浪费的能量与在活动模式下花费的时间成正比，而执行任务所花费的有用能量或多或少是一个恒定值。

有助于生产 ULP MCU 的其他因素包括物理 IP、低泄漏工艺节点和低功耗内存技术的选择。由于较小的栅极电容和较低的工作电压，使用较小的几何形状会降低有功功率，但会在时钟停止时增加泄漏电流。出于这个原因，电源门控在较小的几何形状中变得更加重要。

同样从芯片设计的角度来看，供应商可以实现各种形式的门控。只要有可能，时钟门控就会自动关闭各种电路块的时钟信号。更有效的是电源门控，它会在可能的情况下关闭芯片内部模块的电源。通过使用状态保持电源门控 （SRPG） 可以实现更高的能源效率，从而关闭芯片内部大多数逻辑块的电源，而数字电路的状态保持在保持元件中。

影响能源效率的最大因素之一是使用低电源电压。由于功率与电压的平方成正比，从 3V 变为 1.5V 会使能量减少四倍，其他条件相同。即使电池电压高得多，高效率降压稳压器也能做到这一点。将

lowgn ncy n与高效降压稳压器结合使用可减少

睡眠时的漏电流

物联网设计师要注意数据表参数

虽然数据表参数对于进行系统设计的任何人来说通常都是准确且必不可少的，但在使用这些参数来分析和比较不同设备（包括 MCU 和几乎所有其他设备）时必须小心。供应商在量化参数时倾向于使用不同的规格。例如，对于 MCU，执行功耗分析时应该使用什么工作负载？工作负载可能只是运行“while （1）”循环的几行代码，或者更真实的东西。

一些供应商正转向使用 EEMBC CoreMark 基准作为功率和/或能量测量的标准工作负载。一般来说，CoreMark 对于低功耗 MCU 来说已经足够了，但对于 ULP 来说，它会超出预期。在一项实验中，CR2032-230 mAh / 90% 可用电池的使用寿命是通过以 16 MHz 和每秒 1 次迭代运行 CoreMark 计算得出的。在使用的 32 位 MCU 上，电池寿命达到 46-59 小时，而 MCU 的实时日历功能将在 9-11 年之间运行 - 这代表了几个数量级的差异。

但是，确定 ULP 能效所需的工作负载比 CoreMark 更小，此外，CoreMark 仅适用于活动模式电源，而没有考虑到大多数 ULP 应用程序在处理器停止的情况下在空闲模式下花费大量时间这一事实。除了工作量确定之外，被测设备的条件和物理设置应该是什么？应该使用什么占空比来表示从活动状态到低功耗状态的转换？时钟源应该如何使用？工作负载应该从闪存还是 RAM 运行？输入电压是多少？所有这些细节都必须由所有供应商指定和使用，以允许系统设计人员进行苹果对苹果的比较。

为了事物和其他 ULP 应用程序的设计者的利益

为 ULP 设备供电的能效制定行业标准基准远比直接的性能基准复杂得多。至少，必须回答上一段中的所有问题，但最大的挑战是让所有供应商就一致的方法达成一致。在来自 Analog Devices、ARM、Atmel、Cypress、Freescale、Microchip、Renesas、Silicon Labs、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 的代表的辛勤工作和决心下，EEMBC 建立了 ULPBench，这是一个为测量能量提供一致方法的基准效率展示了有功功率和空闲（睡眠）功率状态。

除了建立运行规则和操作环境外，该集团还意识​​到，ULPBench 需要在 100 美元以下的价格范围内推广准确的能源测量工具。尽管 ULP 领域的大多数 MCU 供应商已将用于测量功率的专有工具集成到其评估/开发板中，但仍然没有普遍认可的方法。为了满足这一需求，EEMBC 生产了 EnergyMonitor，这是一种用于被测目标设备的 USB 供电电压/电流源。它通过一个 100 mm 的 2 针接头连接到目标设备，并且可以测量在 3V 高达 28 mA 上运行的任何东西的能耗。EnergyMonitor 的预期应用是测量 MCU 能耗，但它也可用于测量物联网应用中使用的传感器或其他组件的能耗。

MCU 供应商正在分阶段创建 ULPBench。第 1 阶段 - 称为核心配置文件 - 侧重于核心消耗的能量以及自动唤醒功能。第 2 阶段和所有后续阶段将专注于更多的系统集成，包括各种外围设备的使用。使用 Core Profile，工作负载在每个占空比期间消耗 10，000-20，000 个 CPU 周期，具体取决于 MCU 架构的效率。该器件使用低功耗定时器每秒唤醒 MCU 一次以执行工作负载（如图 2 中的阶梯效应所示）。

量化数据表编号

ULPBench 绝对是朝着在数据表中指定能量值的一致规则迈出的正确方向迈出的一步。用户仍然必须仔细查看确切的细节。例如，应用程序的占空比（在活动模式下花费的时间长度与在空闲模式下花费的时间）必须与 ULPBench 进行比较。如果应用程序经常或长时间唤醒，则活动模式能量将占主导地位，相反，如果应用程序不频繁且短暂地唤醒，则空闲模式能量将占主导地位。在这种情况下，ULPBench 分数可能会产生误导，因为它试图在活动模式和空闲模式能量之间取得平衡。

此外，用户应查看启用了哪种低功耗模式（这将是最低能量状态与转换到活动模式所需的延迟或时间之间的平衡）。由于在测试的活动模式期间消耗了很大一部分能量，因此最好使用为获得最高性能（最小化活动周期）而编译的工作负载代码。理想情况下，将显示多个编译器和编译选项的结果。

审核编辑：郭婷