減少能源是世界上廣泛存在的運動，涵蓋電器，交通，娛樂，通信，計算，醫療設備等項目。使用電力的一切都消耗能量，從而消耗能量。由于能源是由戰爭產生的，并且成本上升，涓流效應使得一切對能源效率更敏感，特別是在產品壽命期間的能源成本方面。

當我們受到挑戰時，已經取得了巨大的進步，我們所有人都感受到了這些好處。例如，當加利福尼亞州立法規定冰箱必須更節能時，該行業迎接挑戰，創造了滿足指導方針所需的新技術，世界上每個人都因此而變得更好。根據加利福尼亞大學的研究，僅在加利福尼亞，部署低能耗冰箱所節省的能源就無需在10年內建造50座燃煤電廠。當人口眾多時，乘以很少的積蓄就會增加。

與電加熱元件相比，任何微處理器或微控制器所需的能量似乎都微不足道。然而，龐大的人口乘數使得這個數字非常顯著，特別是在虛擬載荷方面。幻象負載是即使在關閉設備時也會消耗功率的設備。因為我們生活在一個隨需應變 - 我們現在想要它 - 社會，像電視機這樣的東西，不斷吸取相當大的力量，以便能夠‘加速’更快。

能源研究表明，僅在美國，高達10％的國內電力是由于幻象負載造成的，而嵌入式智能可以改變我們周圍世界的運作方式。像Qi新無線電源標準中使用的更智能的電源，在完全充電或不需要時自行關閉。

隨著更多電池供電的玩具和設備的使用，微控制器本身也在進行轉型，以減少運行時的能源需求。這可以延長電池壽命。這不僅僅是一個市場營銷，當你的小工具可以在電池上使用更長時間時，這可以節省生命。例如，您想要更換除顫器或起搏器的頻率。

低壓CMOS工藝大大降低了現代微控制器所需的功率，但是，設計系統的能源要比制造工藝低得多。設計一個減少能源的系統需要不同的思維方式。此外，必須有硬件資源以及軟件開發工具才能將這種節能提升到新的水平。

本文重點介紹一種降低嵌入式系統能耗需求的新方法。這種方法和產品來自一家名為Energy Micro的公司，該公司推出了一系列Energy Friendly Micros（EFMs）。

稱為Geckos（因為Gecko只使用相同大小的哺乳動物能量的10％），EFM是ARM Cortex（M0和M3）風味的微控制器（見圖1），嵌入了巧妙的技術和技術，大大降低了能量使用，如果你知道如何利用它。

我們將在這里探討這些零件，技術和工具，為您介紹一種接近低能耗設計的新方法，包括使用新型硬件，新型軟件工具以及接近系統的新方法設計。所有這些都在能源微型公司聲稱的延長電池壽命方面發揮了至關重要的作用。

圖1：Geckos EFMs-ARM Cortex（M0和M3）風味微控制器，嵌入了巧妙的技術和技術，大大降低了能耗。

任何其他名稱的ARM

您可能會說ARM內核是ARM內核。你沒有太多可以做的事情來降低它的功率，除了時鐘慢或讓它睡覺。使用的能量與CMOS電路中的時鐘速度成正比。這意味著，通過創新的時鐘和時鐘管理，可以節省大量功率。

雖然微型進入低功耗模式以減少能量時使用第二個晶體并不少見，但Energy Micro更進了一步。通常情況下，低頻晶體為32.768 KHz，因為這可以很好地解析實時時鐘的精確滴答。與高達48 MHz的范圍相比，這些EFM部件可以工作，切換到32.768 KHz可以節省相當多的功率。

通過讓您選擇更低的頻率并使用能夠最大化能量的低功率振蕩器，可以進一步降低這一點。 Energy Micro增加了另外兩種能耗更低的低能量R/C振蕩器。這些不是晶體的精度，但許多設計可能不需要這種精度。

R/C振蕩器可以像任何其他振蕩器一樣接入和使用（見圖2），并允許主晶體關閉，特別是如果外圍設備可以使用較低頻率的時鐘。為此，整個芯片的時鐘管理和使用變得至關重要，而另一個地方是Energy Micro將這項技術提升到了一個新的水平。通過使用新設計的低能耗外設。

圖2：R/C振蕩器可以像任何其他振蕩器一樣接入和使用。

不是自己的島嶼

沒有處理器或處理器核心本身就是一個孤島。為了有用，它被一組豐富的外圍功能所包圍，這些功能可以進行通信，計算，加密/解密，移動數據，在模擬/數字之間進行轉換等等。這些外圍接口中的每一個都是能量減少的公平游戲，而這正是Energy Micro所做的。

Energy Micro不是使用舊世界的外圍設備IP，而是從頭開始設計所有新的外圍功能，旨在減少能耗。這很重要，因為像電視一樣，外圍設備總是在需要時提供一些功能。

一個完美的例子是它們的低能量UART（見圖3）。 Energy Micro從頭開始設計，而不是使用標準的3.6864 MHz或11.0592 MHz頻率，而是在運行時使用32.768 KHz時鐘節省能量。

圖3：Energy Micro的低能耗UART。

Gecko利用專用的低功耗硬件，快速檢測數據包的啟動和喚醒，使UART處于睡眠模式，直到檢測到數據包開始為止。低能量UART僅吸收150納安，支持高達9600的波特率。通過切換更高頻率的時鐘和使用非低能量UARTS，可以實現更高的波特率。

所有關鍵的耗電外設都經過重新設計，使用更低的能量和更慢的時鐘。定時器，A/D，D/A，DMA，SPI，多主IIC，計數器等都是新的低能耗版本，其運行功率僅為其他微處理器標準外設的一小部分。表1顯示了這對于運行時功耗的有效性。

Meditative vs REM

我們有兩種以上的睡眠狀態，EFM32也是如此（見圖4）。顏色表明在每種睡眠模式下外設都處于活動狀態，您可能會驚訝地發現，需要或生成數據的復雜外設可以在不喚醒核心微控制器的情況下運行。

圖4：具有兩種睡眠狀態的EFM32。

完全關閉模式消耗20納安。 GPIO引腳或復位可以在2 uSec內喚醒它。您可以使用400 nanoAmp繪制保留實時時鐘和512字節的SRAM。

下一個最低狀態是停止模式，它吸收600納安。停止模式保留CPU寄存器和內部RAM，各種模擬和數字功能也可用，如D/A，運算放大器和比較器，掉電檢測器，IIC，看門狗和便攜式脈沖計數器（更多）在此之后）。

深度休眠模式（900納安）增加了USB，UART，定時器/計數器，傳感器接口和LCD驅動器功能，而休眠模式（45 uA/MHz）增加了TFT驅動器，外部總線接口，ADC，AES和更多， - 所有的一切都是微睡的。

如何在不喚醒micro的情況下實現此功能？通過使用自主狀態機來協調內部外圍設備的活動而無需微觀干預。

Energy Micro將其稱為反射總線（參見圖5），它實際上是一個基于內部狀態機的序列發生器，允許低能量外設相互排隊，傳遞數據，并在核心處于睡眠狀態時進行通信。

圖5：Energy Micro反射總線。

例如，接力棒傳遞觸發機制，例如重復的實時時鐘滴答，可以以精確的間隔觸發A/D轉換。轉換后的數據觸發DMA將該值移動到內存緩沖區，觸發計數器更新計數。當已經采集了預定數量的樣本時，您可以喚醒具有要操作的數據塊的微觀，而不僅僅是單個樣本。

這只是核心微觀睡眠時如何發生相對復雜功能的一個例子。其他包括LCD動畫，TFT刷新，關鍵感興趣傳感器預處理和事件檢測。

睡眠工作

從傳感器獲取的處理數據是最大的嵌入式系統應用之一，特別是涉及電池供電設備時，無論是現場部署，手持，通過能量采集供電，還是磨損和使用醫療設備。

從可穿戴式血壓和血糖監測儀到遠程環境監測，訪問傳感器，處理一些數據，然后再回到睡眠狀態是延長可用電池壽命的唯一方法。

對于定期間隔的事件，這可能非常簡單。 Micro進入睡眠狀態，定期醒來，執行功能，然后重新進入睡眠狀態（參見圖6A）。這些是時間驅動的事件。實時時鐘中斷可以喚醒微觀，功率曲線下面積是使用的總能量。任何微架構都可以很好地優化這種類型的硬件和軟件。

圖6A：Micro進入睡眠狀態，定期醒來，執行功能，然后重新進入睡眠狀態。

通過事件驅動檢測，這變得更加成問題，并且可能非常浪費能源。微觀必須不斷醒來并檢查表明事件已經開始的情況。如果未檢測到任何事件，MCU將返回休眠狀態（參見圖6B）。只有在事件發生時才會保持清醒并執行。

圖6B：如果未檢測到任何事件，MCU將返回休眠狀態。

喚醒之間的時間間隔決定了您的時間戳分辨率。如果微觀每秒喚醒，那就是你的時間分辨率。你醒來的頻率越高，你從睡眠模式中抽出的力量越多，檢查，然后再回到睡眠狀態。不幸的是，為了更好地工作，設備必須更具響應性，這意味著要花更多時間來檢查事件。

采取心臟監護儀記錄事件數據給醫生。如果它睡得太久并且錯過了醫生需要的關鍵數據，那就不是很有效了。如果它在事件發生時捕獲事件并記錄數據，則它是有效的。如果它使用了太多的功率并且在找到任何東西之前就已經死了，那么它就無效了。

在追捕事件發生之前，數百，數千或數百萬次喚醒（或更多）的情況并不少見。隨著時間的推移，這種力量是你浪費的能量，它可以加起來。

專用硬件只有在需要保存所有不必要的喚醒時才能用于中斷。這是一種節能方法，但可能不是具有成本效益或PCB空間有效的解決方案。這種專用硬件需要在芯片上，這就是反射總線和低能量傳感器總線（LESENSE）為您做的事情。

LESENSE利用片上模擬比較器和運算放大器，A/D轉換器和數字比較器，實現自運行，基于周期，事件檢測，數據采集處理（有限擴展）和控制。

為了說明這一點，讓我們看一下可用于執行流速檢測和累積的電感式傳感器應用（參見圖7）。金屬以圓形二進制計數配置排列，因此當金屬條（暗）靠近感應線圈時，它會改變其振蕩特性。

圖7：可用于執行流速檢測和累積的電感式傳感器應用。

電感器附近沒有金屬，電感器可以以眾所周知的預期衰減率自由振鈴。如果使用片上運算放大器和比較器來創建閾值檢測器，則結果是脈沖序列事件。脈沖計數器對這些脈沖進行計數并累計計數。計數超過預定的閾值，微觀保持睡眠狀態。這沒東西看。

如果金屬非常靠近，振蕩器會受到抑制，脈沖計數會降低。這個較低的計數可以觸發微型喚醒并采取行動，因為發生了需要微處理的事件。注意：生成正交波形是為了讓微觀知道旋轉方向以及速率。

交易工具

為了更有效地編碼，需要新工具讓軟件工程師利用低能量編碼技術。蠻力有其自己的位置，但不是在每個循環時間取得力量時。

為了解決這個問題，Energy Micro在公司中創建了一個頂級職位，開發和維護一套易于使用，理解和有效的新工具套件，以減少處理器運行時間和開發時間。

全面的開發工具套件稱為Simplicity Studio，它包含多個工具，可加快代碼開發速度，讓設計人員通過能量感知運行時功能降低能耗。

有關Simplicity Studio所有功能的詳細信息將成為另一篇完整文章的主題。所以，在這里，為了說明這是如何有效，我們將看一個集成工具來展示它的效果。

Energy Profiler讓您可以實時查看代碼運行時使用的能量（參見圖8）。作為條形圖（右下角），顯示每個主程序使用的功率量，代碼（左側）也是如此。

圖8：Energy Profiler可讓您實時查看代碼運行時使用的能量。

關鍵是運行時能量抽取（右上角），它顯示實時電流消耗。注意每個小的紅色指標。可以單擊其中任何一個以顯示在該級別運行的代碼。

這對減少常規能量特別有用。例如，如果您看到使用的能量塊很長且持續時間很長，您可以單擊它來查看基礎代碼。例如，如果它是一個‘WHILE’循環，你可能想要改變它以使用一個計時器，讓微睡眠，然后讓它喚醒更接近準備繼續前進的時間。這樣可以在微型電源等待事件時保存所有活動時間。

熄燈

開發低能耗系統是一門經驗和支持的學科。如果您足夠聰明，可以利用架構，工具和技術，Energy Micro提供硬件和軟件，允許在極低能耗下延長運行時間。