ARM Cortex-M0內(nèi)核使LPC1100的功耗數(shù)據(jù)與當(dāng)前的低功耗微控制器保持一致，但這種內(nèi)核的處理效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的8位和16位處理器。這可以降低電池供電應(yīng)用的平均電流，延長(zhǎng)電池壽命，也可減少其他應(yīng)用的功率要求。基于M0的LPC1100將對(duì)低功耗應(yīng)用的功能造成重要影響。本文旨在討論Cortex-M0 LPC1100微控制器系列的低功耗特性，以及有利于降低電源能耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。這里從七個(gè)方面揭示NXP1100低功耗設(shè)計(jì)的秘密。
一、微控制器低功耗設(shè)計(jì)考慮因素
定義：為了理解微控制器的功耗，必須首先了解CMOS器件功耗的基本構(gòu)成。功耗主要有兩類(lèi)：動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。
動(dòng)態(tài)功耗：
圖1所示為一種簡(jiǎn)單的CMOS反相器。當(dāng)反相器切換時(shí)，必須加載或釋放負(fù)載電容，結(jié)果會(huì)消耗功率。負(fù)載電容是互聯(lián)電容及其驅(qū)動(dòng)的所有器件的柵電容的結(jié)合體。在反相器不切換狀態(tài)下，消耗功率的是器件的泄露電流。因此，在既定工藝幾何結(jié)構(gòu)下，功耗隨電壓的平方而變化，隨頻率呈線(xiàn)性變化。功耗隨頻率呈線(xiàn)性變化這一特性導(dǎo)致了一個(gè)經(jīng)常被引用的微控制器指標(biāo)，即每MHz的電流消耗值。
圖1 一種簡(jiǎn)單的CMOS反相器
對(duì)于低功耗器件，該值表示為uA/MH z，范圍在200uA/MHz至300uA/MHz以上。 此類(lèi)數(shù)值具有一定誤導(dǎo)性，因?yàn)槠錅y(cè)量沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵在于既定電流消耗下完成了多少工作，另一個(gè)更全面的指標(biāo)是既定計(jì)算消耗了多少能量。由于這類(lèi)指標(biāo)尚未被廣泛采用，因此，本文將使用uA/MHz指標(biāo)。
數(shù)字CMOS結(jié)構(gòu)每MHz消耗的電流并不是器件所耗電流的全部，還有支持?jǐn)?shù)字域必不可少的模擬電路。
這些可分為計(jì)時(shí)組件、電源控制組件、存儲(chǔ)器和外設(shè)。計(jì)時(shí)組件、電源控制組件和存儲(chǔ)器組件都是微控制器平臺(tái)的組成部分，是必要組件，而模擬外設(shè)則是功能套件的一部分，因微控制器系列而異。
表1 LPC1100中采用的計(jì)時(shí)組件
表1所示為L(zhǎng)PC1100中采用的計(jì)時(shí)組件。表中功耗由低到高排列。就如所有模擬設(shè)計(jì)一樣，精確度和所耗電流之間始終存在折衷。對(duì)于這些組件，LPC1100有一個(gè)靈活的控制方案，可以在功耗與精確度之間取得平衡，以適應(yīng)具體應(yīng)用。
表2 LPC1100中的電源控制組件
表2描述的是LPC1100中的電源控制組件。與計(jì)時(shí)組件一樣，這些組件也可根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行定制。
內(nèi)核的電流消耗不只關(guān)乎頻率，還涉及到必要內(nèi)核支持模擬組件的失調(diào)電流。這種電流有時(shí)也稱(chēng)為零赫茲電流。由于LPC1100擁有靈活的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，這種電流并不固定。隨著頻率的降低，關(guān)閉產(chǎn)生所需工作頻率不必要的時(shí)鐘組件可能會(huì)降低失調(diào)電流。
舉例來(lái)說(shuō)，在0至1MHz頻率范圍內(nèi)，LPC1100可工作于精確度稍低的低功耗振蕩器之上，然后啟動(dòng)精確度更高的內(nèi)部R C振蕩器，以提供1到12 MHz的頻率。
二、漏電功耗
漏電功耗指CMOS接口在數(shù)字邏輯未切換時(shí)加載的電流。該電流高度依賴(lài)于工藝節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)庫(kù)的優(yōu)化方式。對(duì)于L P C1100，節(jié)點(diǎn)庫(kù)針對(duì)低漏電而優(yōu)化。為用戶(hù)提供不同的斷電選擇可以進(jìn)一步優(yōu)化漏電。除CMOS接口處的漏電功耗以外，還可對(duì)這些模式中的多種模擬功能進(jìn)行控制。
表3：LPC1100的電源模式
三、休眠模式
休眠模式下，內(nèi)核時(shí)鐘關(guān)閉，但用戶(hù)可以選擇繼續(xù)開(kāi)啟外設(shè)。這種模式下的功耗不但包括漏電功耗，還包括處于開(kāi)啟狀態(tài)的外設(shè)帶來(lái)的動(dòng)態(tài)功耗。該模式下仍可接收數(shù)據(jù)，但內(nèi)核會(huì)保留其狀態(tài)，并在需要時(shí)繼續(xù)運(yùn)行。
四、電模式
數(shù)字邏輯的所有時(shí)鐘均關(guān)閉，可以控制模擬子系統(tǒng)，設(shè)置靈活的喚醒時(shí)間，具體視應(yīng)用要求而定。當(dāng)所有模擬時(shí)鐘元件均被關(guān)閉時(shí)，則為最低功耗模式。喚醒時(shí)間取決于喚醒時(shí)鐘源的選擇。選擇低功耗振蕩器時(shí)，時(shí)間最快，選擇晶體振蕩器和PLL時(shí)，時(shí)間最慢。
五、深度斷電模式
該模式下，除一個(gè)始終開(kāi)啟的小型域之外，微控制器內(nèi)部的電源均被關(guān)閉。這個(gè)始終開(kāi)啟的域有一組寄存器，可以存儲(chǔ)微控制器進(jìn)入深度斷電模式之前的狀態(tài)信息。從該模式喚醒既可使用喚醒引腳，也可使用復(fù)位。
六、代碼效率
LPC1100采用了ARM出品的新型Cortex-M0內(nèi)核，對(duì)動(dòng)態(tài)電流和漏電流均有較大影響。以簡(jiǎn)單的指令集為主可降低動(dòng)態(tài)電流。M0多使用Thum b指令。此類(lèi)指令位寬16，內(nèi)核將其解釋為32位指令。內(nèi)核還采用了一種經(jīng)簡(jiǎn)化的總線(xiàn)接口，可減少門(mén)數(shù)和時(shí)鐘。另外，內(nèi)核所用架構(gòu)有利于利用時(shí)鐘門(mén)控和經(jīng)簡(jiǎn)化的庫(kù)元素。在滿(mǎn)足上述所有要求的情況下，內(nèi)核的額定功耗不到70u A/MHz。如前所述，這個(gè)數(shù)值意義不大，因?yàn)樗荒苷f(shuō)明用這部分電流可以完成多少工作。然而，M0內(nèi)核的額定性能為0.9 DMIPS/MHz，高于ARM7內(nèi)核。使用這種內(nèi)核可進(jìn)一步改善漏電流，因?yàn)殚T(mén)數(shù)與8位和16位內(nèi)核相等。
由于漏電流與門(mén)數(shù)成正比，因此內(nèi)核邏輯中的任何節(jié)省均可產(chǎn)生重大影響。
七、低功耗系統(tǒng)考慮因素
微控制器電源模式的使用方式取決于具體應(yīng)用。如果始終有電源，只是容量有限，則可以始終使微控制器處于計(jì)時(shí)狀態(tài)。LPC1100可以快速更改頻率，具體視處理需求而定。LPC1100在30MHz時(shí)的額定電流消耗為6m A。當(dāng)以1MHz運(yùn)行于低功耗內(nèi)部振蕩器時(shí)，該數(shù)值還可降至略高于200uA的水平。
然而，需要降低功耗的許多應(yīng)用都必須依賴(lài)斷電和深度斷電模式。這些應(yīng)用在大部分時(shí)間都處于靜止?fàn)顟B(tài)，等待處理數(shù)據(jù)。處理器必須能快速喚醒，處理所需數(shù)據(jù)，然后返回靜止?fàn)顟B(tài)。許多此類(lèi)應(yīng)用均采用電池供電，這種情況下，低平均電流對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。為了降低平均電流，必須盡快處理數(shù)據(jù)，以減少工作周期。由于M0是一種32位處理器，其計(jì)算執(zhí)行速度比小寬度處理器更快。
下頁(yè)的圖2展示了處理性能是如何影響平均電流的。數(shù)據(jù)假定，峰值電流和斷電電流在各類(lèi)處理器上都是相同的。M0內(nèi)核的功耗可以達(dá)到低位寬處理器平均電流的一半到四分之一。借助M0，LPC1100可實(shí)現(xiàn)200uA/MHz的峰值電流。
低平均電流對(duì)延長(zhǎng)電池壽命至關(guān)重要。這就意味著低靜態(tài)電流和小工作周期。LPC1100在深度斷電模式下的電流不到300n A，峰值電流僅為200uA/MHz。圖4所示即為工作周期對(duì)電池壽命的影響。用于此類(lèi)計(jì)算的電池是一枚230mAh的鋰離子鈕扣電池。該坐標(biāo)圖顯示了靜態(tài)電流對(duì)電池壽命的影響，以及要使
電池壽命超過(guò)3年所需要的工作周期。平均電流假定峰值電流為2mA，即LPC1100的工作頻率為10MHz。圖中還包括啟動(dòng)時(shí)間的影響，因?yàn)榻档挽o態(tài)電流會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間。如果使用LPC1100深度斷電模式，在200毫秒的周期中，當(dāng)處理時(shí)間為1毫秒時(shí)，實(shí)現(xiàn)3年的電池壽命是可能的。
結(jié)論
M0內(nèi)核使LPC1100的功耗數(shù)據(jù)與當(dāng)前的低功耗微控制器保持一致，但這種內(nèi)核的處理效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前的8位和16位處理器。這可以降低電池供電應(yīng)用的平均電流，延長(zhǎng)電池壽命，也可減少其他應(yīng)用的功率要求。基于M0的LPC1100將對(duì)低功耗應(yīng)用的功能造成重要影響。
圖3：平均電流
圖4：工作周期對(duì)電池壽命的影響