从硅芯片到软件，设计低能耗嵌入式系统

（文章来源：OFweek）

设计低能耗系统时，我们需要关注一些非传统因素，这些因素涉及范围从硅芯片生产工艺技术，到基于单片机的嵌入式平台上所运行的软件。通过对系统层面的深入分析，本文讨论决定MCU能效的三个关键参数：工作模式功耗、待机模式功耗和占空比（他决定各种状态下所占用的时间比率，由软件自身来决定）。

低能耗待机状态使MCU看上去具有超高能效，但事实是，只有考虑了控制工作模式功耗的所有因素后才能决定MCU的能效状况。总之，对于处理工艺、IC架构和软件结构选择的权衡是十分微妙的决定因素，有时会出现意想不到的结果。此外，单片机上功能模块相结合的方式对整体能耗加以动态影响。即使对硬件实现看似小而轻微的改变，都可能会导致系统运行周期中整体能耗的大幅波动。

举几个应用示例。测量和报警系统通常由单电池供电，并具有约10年的生命周期。在传感器读取操作上（在产品生命周期中可能发生几亿次），小小的电流消耗增长就可能会导致产品的实际使用寿命减少几年。而一个简单的烟雾报警器，需每秒检测一次空中烟雾粒子是否存在，在其生命周期中将要执行3.15亿次读取操作。

简单烟雾报警器的工作比例或占空比是相当低的。每次传感器读取操作可能花费时间不超过几百微秒，而大部分时间都消耗在其他方面，包括：校准和准备过程，单片机唤醒模数转换器（ADC）和其他感应模拟器件，并等待其达到稳定状态点的时间。在这种情况下，工作周期可能导致设计中的非活动状态时间大约占总时间的99.98％。

传统的烟雾报警器比较简单。我们来看一个更复杂的RF设计，此设计中，数据结果通过传感器网状网络传输到主机应用中。传感器需要监听主节点的工作状态，由此他可以发信号表明自己仍然在网状网络中，或者为路由器提供当前所捕获信息。额外的工作不一定会影响整个占空比，相反，在活动周期中，使用更高性能的装置还可以执行更多功能，因为高性能装置提高了处理速度（可通过使用更先进的架构和半导体技术实现），与运行更多周期的慢速装置相比，快速装置具备更高能效。

几乎所有的MCU都通过CMOS技术实现。任何工作逻辑电路的功耗可由公式CV2f决定，其中：C代表装置中开关电路路径上的总电容，V代表供电电压，f代表操作频率。参见图1，电压和电容是生产工艺技术相关的因子。在过去的三十年中，CMOS逻辑的片上操作电压已经从12V下降到2V以下，同时晶体管体积也大大缩小。因为电压在工作功耗方程式中是二次函数，因此使用较低电压将对功耗带来显著的影响。

电容作为可使总功耗降低的一项因子，虽然是线性，也大大受益于摩尔定律。对于给定的逻辑函数来说，更先进的生产工艺可提供比之前更小体积的电容，并且可获得更低的功耗。此外，还有一种先进的设计技术可以降低整体开关频率，这种技术被称为时钟门控。

与其他技术相比，CMOS可以极大降低能源浪费，但同时存在漏电损耗。与工作模式功耗相比，漏电损耗以摩尔定律速率来增加，在所有低能耗应用中都要加以考虑，因为他与低占空比系统的非工作时间成正比。然而，和工作模式功耗一样，电路设计对真实漏电损耗产生动态影响。类似时钟门控，功率门控也能够大大减轻漏电损耗的影响，采用更多先进工艺的节点是低占空比系统的更好选择，即使是旧的工艺技术也可以获得更低的理论漏电损耗量。