從高度簡化的角度來看，物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的結(jié)構(gòu)由三個概念元素組成：邊緣節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點或集線器，以及云或數(shù)據(jù)中心。邊緣節(jié)點是物聯(lián)網(wǎng)中的“事物”。邊緣節(jié)點在互聯(lián)網(wǎng)或本地網(wǎng)絡(luò)的虛擬數(shù)字世界與真實模擬世界之間提供接口。根據(jù)應(yīng)用程序，邊緣節(jié)點可以收集數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)或兩者兼而有之。如果它是一個收集器，邊緣節(jié)點通常從傳感器（或傳感器）獲取數(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。如果事物從網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，它會處理數(shù)據(jù)并以某種方式驅(qū)動連接的傳感器。

邊緣節(jié)點的功能可以用四個特征來描述。一個特征是它用于將現(xiàn)實世界信息轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器類型，反之亦然（例如，溫度、壓力、血液化學(xué)或腦電波）。表征邊緣節(jié)點的另一種方法是通過它用于連接傳感器和處理器或微控制器 （MCU） 的接口，例如使用 SPI/I2C、GPIO、PWM 或 ADC/DAC。邊緣節(jié)點的功能還通過使轉(zhuǎn)換器信息適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)所需的處理來描述，反之亦然（例如，加密、壓縮、糾錯、協(xié)議棧和數(shù)據(jù)分析）。最后，邊緣節(jié)點可以通過其通信機制和用于在事物和網(wǎng)絡(luò)之間發(fā)送或接收信息的協(xié)議來描述。

對邊緣節(jié)點進行分類

邊緣節(jié)點可以根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域或多或少任意分組。例如，家庭自動化包括用于控制或監(jiān)控家庭或辦公室系統(tǒng)和設(shè)備的任何東西，例如照明或環(huán)境控制或電器（例如冷凍機、洗衣機、咖啡機、火警）。另一方面，“可穿戴”或“便攜式”是指在使用時穿戴或攜帶在人身上的任何東西。示例包括智能手表、智能眼鏡、心率監(jiān)測器、計步器、GPS 跟蹤設(shè)備、血糖監(jiān)測器、音樂或視頻播放器以及無線耳機或麥克風(fēng)。還有健康、環(huán)境等類別，當(dāng)然還有傳統(tǒng)的機器對機器 （M2M） 應(yīng)用。類別之間有相當(dāng)程度的重疊，

許多邊緣節(jié)點，尤其是在“可穿戴”領(lǐng)域，都是超低功耗 （ULP） 應(yīng)用。這些應(yīng)用程序的特點是由電池供電，活動時間短，偶爾會穿插長時間不活動，并且可能不經(jīng)常進行人為干預(yù)。超低功耗突出了能源效率作為此類設(shè)備的關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定了數(shù)周、數(shù)月、數(shù)年甚至數(shù)十年的電池壽命。

用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的 ULP MCU

現(xiàn)在您已經(jīng)消化了本節(jié)子標(biāo)題的所有首字母縮略詞，回想一下我們之前的討論，生活在邊緣的許多“事物”必須利用 ULP MCU 來處理用戶界面、收集和傳輸傳感器數(shù)據(jù)、提供安全功能以及管理其他任務(wù)。“事情”設(shè)計人員面臨的一個問題是確定這些 MCU 是否經(jīng)過優(yōu)化以滿足其應(yīng)用的性能和效率要求，從而實現(xiàn)預(yù)期的較長電池壽命。

超低功耗對不同的應(yīng)用意味著不同的東西。在某些情況下，當(dāng)電源受到嚴(yán)格限制（例如，能量收集）時，需要最低有效電流。或者，當(dāng)系統(tǒng)大部分時間處于待機或睡眠模式時，需要最低的睡眠電流，不經(jīng)常（定期或異步）喚醒以處理某些任務(wù)。此外，ULP 還意味著高能效，因此大部分工作都在有限的時間內(nèi)完成。總體而言，該應(yīng)用程序?qū)⑿枰獙ι鲜鏊袃?nèi)容進行組合或權(quán)衡。

有許多因素可以使 MCU 獲得 ULP 稱號。一個因素是通過 MCU 外設(shè)提供的智能類型和程度。例如，我們前面提到的 SPI、GPIO、PWM 和 ADC 等外圍設(shè)備，如果供應(yīng)商設(shè)計正確，可以顯著幫助減輕 CPU 負(fù)載，從而使設(shè)備在睡眠模式下花費更多時間。還有一種趨勢是從 8 位和 16 位 CPU 轉(zhuǎn)向 32 位 CPU，以幫助更快地執(zhí)行活動模式任務(wù)。任務(wù)執(zhí)行得越快，消耗的能量就越少，因為由于靜態(tài)電流而浪費的能量與在活動模式下花費的時間成正比，而執(zhí)行任務(wù)所花費的有用能量或多或少是一個恒定值。

有助于生產(chǎn) ULP MCU 的其他因素包括物理 IP、低泄漏工藝節(jié)點和低功耗內(nèi)存技術(shù)的選擇。由于較小的柵極電容和較低的工作電壓，使用較小的幾何形狀會降低有功功率，但會在時鐘停止時增加泄漏電流。出于這個原因，電源門控在較小的幾何形狀中變得更加重要。

同樣從芯片設(shè)計的角度來看，供應(yīng)商可以實現(xiàn)各種形式的門控。只要有可能，時鐘門控就會自動關(guān)閉各種電路塊的時鐘信號。更有效的是電源門控，它會在可能的情況下關(guān)閉芯片內(nèi)部模塊的電源。通過使用狀態(tài)保持電源門控 （SRPG） 可以實現(xiàn)更高的能源效率，從而關(guān)閉芯片內(nèi)部大多數(shù)邏輯塊的電源，而數(shù)字電路的狀態(tài)保持在保持元件中。

影響能源效率的最大因素之一是使用低電源電壓。由于功率與電壓的平方成正比，從 3V 變?yōu)?1.5V 會使能量減少四倍，其他條件相同。即使電池電壓高得多，高效率降壓穩(wěn)壓器也能做到這一點。將

lowgn ncy n與高效降壓穩(wěn)壓器結(jié)合使用可減少

睡眠時的漏電流

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計師要注意數(shù)據(jù)表參數(shù)

雖然數(shù)據(jù)表參數(shù)對于進行系統(tǒng)設(shè)計的任何人來說通常都是準(zhǔn)確且必不可少的，但在使用這些參數(shù)來分析和比較不同設(shè)備（包括 MCU 和幾乎所有其他設(shè)備）時必須小心。供應(yīng)商在量化參數(shù)時傾向于使用不同的規(guī)格。例如，對于 MCU，執(zhí)行功耗分析時應(yīng)該使用什么工作負(fù)載？工作負(fù)載可能只是運行“while （1）”循環(huán)的幾行代碼，或者更真實的東西。

一些供應(yīng)商正轉(zhuǎn)向使用 EEMBC CoreMark 基準(zhǔn)作為功率和/或能量測量的標(biāo)準(zhǔn)工作負(fù)載。一般來說，CoreMark 對于低功耗 MCU 來說已經(jīng)足夠了，但對于 ULP 來說，它會超出預(yù)期。在一項實驗中，CR2032-230 mAh / 90% 可用電池的使用壽命是通過以 16 MHz 和每秒 1 次迭代運行 CoreMark 計算得出的。在使用的 32 位 MCU 上，電池壽命達(dá)到 46-59 小時，而 MCU 的實時日歷功能將在 9-11 年之間運行 - 這代表了幾個數(shù)量級的差異。

但是，確定 ULP 能效所需的工作負(fù)載比 CoreMark 更小，此外，CoreMark 僅適用于活動模式電源，而沒有考慮到大多數(shù) ULP 應(yīng)用程序在處理器停止的情況下在空閑模式下花費大量時間這一事實。除了工作量確定之外，被測設(shè)備的條件和物理設(shè)置應(yīng)該是什么？應(yīng)該使用什么占空比來表示從活動狀態(tài)到低功耗狀態(tài)的轉(zhuǎn)換？時鐘源應(yīng)該如何使用？工作負(fù)載應(yīng)該從閃存還是 RAM 運行？輸入電壓是多少？所有這些細(xì)節(jié)都必須由所有供應(yīng)商指定和使用，以允許系統(tǒng)設(shè)計人員進行蘋果對蘋果的比較。

為了事物和其他 ULP 應(yīng)用程序的設(shè)計者的利益

為 ULP 設(shè)備供電的能效制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)遠(yuǎn)比直接的性能基準(zhǔn)復(fù)雜得多。至少，必須回答上一段中的所有問題，但最大的挑戰(zhàn)是讓所有供應(yīng)商就一致的方法達(dá)成一致。在來自 Analog Devices、ARM、Atmel、Cypress、Freescale、Microchip、Renesas、Silicon Labs、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 的代表的辛勤工作和決心下，EEMBC 建立了 ULPBench，這是一個為測量能量提供一致方法的基準(zhǔn)效率展示了有功功率和空閑（睡眠）功率狀態(tài)。

除了建立運行規(guī)則和操作環(huán)境外，該集團還意識??到，ULPBench 需要在 100 美元以下的價格范圍內(nèi)推廣準(zhǔn)確的能源測量工具。盡管 ULP 領(lǐng)域的大多數(shù) MCU 供應(yīng)商已將用于測量功率的專有工具集成到其評估/開發(fā)板中，但仍然沒有普遍認(rèn)可的方法。為了滿足這一需求，EEMBC 生產(chǎn)了 EnergyMonitor，這是一種用于被測目標(biāo)設(shè)備的 USB 供電電壓/電流源。它通過一個 100 mm 的 2 針接頭連接到目標(biāo)設(shè)備，并且可以測量在 3V 高達(dá) 28 mA 上運行的任何東西的能耗。EnergyMonitor 的預(yù)期應(yīng)用是測量 MCU 能耗，但它也可用于測量物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用的傳感器或其他組件的能耗。

MCU 供應(yīng)商正在分階段創(chuàng)建 ULPBench。第 1 階段 - 稱為核心配置文件 - 側(cè)重于核心消耗的能量以及自動喚醒功能。第 2 階段和所有后續(xù)階段將專注于更多的系統(tǒng)集成，包括各種外圍設(shè)備的使用。使用 Core Profile，工作負(fù)載在每個占空比期間消耗 10，000-20，000 個 CPU 周期，具體取決于 MCU 架構(gòu)的效率。該器件使用低功耗定時器每秒喚醒 MCU 一次以執(zhí)行工作負(fù)載（如圖 2 中的階梯效應(yīng)所示）。

量化數(shù)據(jù)表編號

ULPBench 絕對是朝著在數(shù)據(jù)表中指定能量值的一致規(guī)則邁出的正確方向邁出的一步。用戶仍然必須仔細(xì)查看確切的細(xì)節(jié)。例如，應(yīng)用程序的占空比（在活動模式下花費的時間長度與在空閑模式下花費的時間）必須與 ULPBench 進行比較。如果應(yīng)用程序經(jīng)常或長時間喚醒，則活動模式能量將占主導(dǎo)地位，相反，如果應(yīng)用程序不頻繁且短暫地喚醒，則空閑模式能量將占主導(dǎo)地位。在這種情況下，ULPBench 分?jǐn)?shù)可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，因為它試圖在活動模式和空閑模式能量之間取得平衡。

此外，用戶應(yīng)查看啟用了哪種低功耗模式（這將是最低能量狀態(tài)與轉(zhuǎn)換到活動模式所需的延遲或時間之間的平衡）。由于在測試的活動模式期間消耗了很大一部分能量，因此最好使用為獲得最高性能（最小化活動周期）而編譯的工作負(fù)載代碼。理想情況下，將顯示多個編譯器和編譯選項的結(jié)果。

審核編輯：郭婷