是否有一種策略可以同時(shí)應(yīng)用于基于 IP 的半導(dǎo)體產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體產(chǎn)品，允許設(shè)備用戶(hù)以簡(jiǎn)單可靠的方式控制能耗，讓用戶(hù)全面了解操作，并保持安全和安全的條件？改進(jìn)的結(jié)果可能伴隨著對(duì)操作模式的控制程度的提高。

無(wú)論應(yīng)用在哪個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)今電子系統(tǒng)取得市場(chǎng)成功的一個(gè)關(guān)鍵因素是最大限度地減少其能源需求。以電流或穩(wěn)態(tài)功率表示組件效率的傳統(tǒng)方法——每 MHz 微安 （μA） 或微瓦 （μW） 似乎不再適用。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)既不存儲(chǔ) μA 也不存儲(chǔ) μW，它們存儲(chǔ)“焦耳”——換句話(huà)說(shuō)，就是能量。最新一代的超低能效 MCU 遵循與高性能處理器類(lèi)似的電源管理策略；他們將 DC/DC 轉(zhuǎn)換器與線(xiàn)性穩(wěn)壓器結(jié)合使用。

一個(gè)有趣的問(wèn)題是，相同的供電方法是否可以在不通過(guò)軟件功能增加能耗的情況下用于各種應(yīng)用？用戶(hù)能否從應(yīng)用層面細(xì)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能耗最優(yōu)？能源配置優(yōu)化的應(yīng)用程序是否可行，是否可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)、擴(kuò)展和調(diào)整？

一旦明確定義了應(yīng)用程序，能耗就可以與系統(tǒng)目標(biāo)保持一致。有一些眾所周知的方法可以在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)所需的控制水平。假設(shè)只有室溫下的靜態(tài)環(huán)境，這非常簡(jiǎn)單。已發(fā)布的 MCU 數(shù)據(jù)表提供了適用于各種不同情況的數(shù)據(jù)。MCU 供應(yīng)商針對(duì)許多不同的場(chǎng)景和條件提供了 150 多種不同的電流參數(shù)。

對(duì)增加程序代碼和數(shù)據(jù)的內(nèi)存需求的快速增長(zhǎng)是轉(zhuǎn)向更小的工藝幾何形狀的驅(qū)動(dòng)因素之一。這在活動(dòng)模式（RUN 模式）下提供了更低的能耗。然而，由于不需要的泄漏電流，在睡眠模式下繼續(xù)運(yùn)行的設(shè)備的能源需求顯著增加。這種影響在室溫下很顯著，在較高溫度下可能會(huì)很?chē)?yán)重。

消費(fèi)電子產(chǎn)品的早期開(kāi)發(fā)使用內(nèi)置在較小工藝幾何形狀中的硅，揭示了電壓和溫度對(duì)能量預(yù)算的影響。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了電源門(mén)控、電壓和頻率縮放來(lái)應(yīng)對(duì)這些因素。此類(lèi)技術(shù)已成為 MCU/SoC 的低功耗標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，問(wèn)題仍然存在：

供應(yīng)商使用了哪些方法和指南，哪些指南在我的應(yīng)用程序環(huán)境中很重要？他們匹配嗎？

哪種運(yùn)行模式對(duì)能耗的影響最大？

第一個(gè)因素是特定能量模式的持續(xù)時(shí)間（花費(fèi)的時(shí)間），考慮到每種模式對(duì)總能量消耗的貢獻(xiàn) - 以及動(dòng)態(tài)切換條件：

運(yùn)行模式 （1） 對(duì)能耗有直接影響——正在執(zhí)行的功能和代碼。

睡眠模式 （2） 具有其自身的特征級(jí)能耗 - 功能和代碼暫停，需要外部事件才能重新啟動(dòng)。

兩種模式（1 和 2）都會(huì)增加能源消耗——運(yùn)行模式和睡眠模式都會(huì)增加能源消耗。

非開(kāi)/關(guān)可切換功能的切換條件

【圖1 | EEMBC 能源基準(zhǔn)有兩個(gè)階段。］

在廣泛使用的 EEMBC 能源基準(zhǔn)（基本序列如圖 1 所示）中，操作模式（1 - 活動(dòng)/運(yùn)行）執(zhí)行定義的代碼。用戶(hù)選擇工作模式，例如 LDO 或 DC/DC 電壓調(diào)節(jié)、工作頻率等。他們可以為自己的應(yīng)用選擇最低能耗的模式。具有 32 kHz 石英或振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能 （RTC/RTCC） 處于活動(dòng)狀態(tài)，代表能量消耗的第二部分。周期為一秒。該基準(zhǔn)衡量的是能源消耗而不是電流消耗。該基準(zhǔn)的未來(lái)幾代還將增加一個(gè)考慮開(kāi)關(guān)損耗的因素。工作模式主導(dǎo)當(dāng)前MCU/SoC的能耗；在大多數(shù)情況下，較高的工作電流由較短的執(zhí)行時(shí)間來(lái)補(bǔ)償。在一秒鐘內(nèi)，開(kāi)關(guān)損耗不起主要作用。然而，開(kāi)關(guān)損耗的這一方面——圖 1 中的紅色陰影區(qū)域——正變得越來(lái)越重要。

【圖2 | 基本電源門(mén)控］

基本電源門(mén)控

圖 2 描述了電源門(mén)控的基本原理。關(guān)閉部分電路應(yīng)該可以減少漏電流損失。那些不需要的電流使電路中的電容放電：溫度越高，它們放電的速度越快。這些電容具有寄生和集成特性。它們將電流峰值導(dǎo)致的電壓降限制在安全水平。當(dāng)實(shí)施電源門(mén)控時(shí)，動(dòng)態(tài)能量消耗會(huì)惡化，并且開(kāi)關(guān)條件會(huì)進(jìn)一步增加非生產(chǎn)性能量損失。在許多操作情況下，電源的開(kāi)啟和關(guān)閉與電源門(mén)控并行。這進(jìn)一步增加了非生產(chǎn)性動(dòng)態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗。

哪種運(yùn)行條件對(duì)能耗的影響最大？第二個(gè)必須考慮的因素是系統(tǒng)環(huán)境，例如能源、溫度或溫度曲線(xiàn)。

能源提供對(duì)工作電壓的調(diào)節(jié)，例如通過(guò)線(xiàn)性調(diào)節(jié)器或DC/DC轉(zhuǎn)換器。在小型 MCU 中，通常一次只使用一個(gè)穩(wěn)壓器，但在高性能系統(tǒng)（多核 SoC）中，多個(gè)電源同時(shí)運(yùn)行。

當(dāng)能量損失（例如泄漏電流）占能量消耗的主要部分時(shí)，需要考慮溫度曲線(xiàn)。這可能發(fā)生在所有三種操作模式中。

向 MCU/SoC 用戶(hù)開(kāi)放的選項(xiàng)

操作模式的不同功能通常由某種形式的電源管理器管理。初始設(shè)置和不同能量模式之間的轉(zhuǎn)換都是如此。操作模式是根據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)分區(qū)和設(shè)計(jì)以及 MCU/SoC 硬件的最終行為建立的。

目前存在的幾代低功耗模塊中提供的最終操作模式基本上是通過(guò)指令和能量模式位和數(shù)據(jù)調(diào)用的；以及用戶(hù)設(shè)置的控制位和控制數(shù)據(jù)。此外，可以提供軟件庫(kù)元素，例如 API。這些特性導(dǎo)致了面向應(yīng)用的節(jié)能系統(tǒng)和產(chǎn)品，但范圍可能有限。

夢(mèng)想與現(xiàn)實(shí)

在一家公司的許多應(yīng)用和產(chǎn)品線(xiàn)中，采用來(lái)自不同 MCU/SoC 供應(yīng)商的多個(gè)組件以及一系列能源來(lái)實(shí)現(xiàn)最大性能和應(yīng)用壽命。這些設(shè)備的能量模式和功能由指令和控制位/數(shù)據(jù)直接激活。是否可以通過(guò)嵌入在軟件代碼中的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)功能和能量模式的直接控制？對(duì)不同模式的訪問(wèn)也可以通過(guò)僅由監(jiān)督模式通過(guò)中央程序（例如操作系統(tǒng)或電源管理器）訪問(wèn)來(lái)確保安全。受限訪問(wèn)通過(guò)將系統(tǒng)帶入關(guān)鍵操作條件的模式更改來(lái)提供安全操作。軟件定義的能源情況是靈活的；但從能源的角度來(lái)看，經(jīng)常改變操作模式的軟件解決方案不是最佳的。每個(gè)代碼執(zhí)行都使用（激活）MCU/SoC 硬件的主要部分，并具有相應(yīng)的能量需求。

在 MCU/SoC 中防止不必要的訪問(wèn)仍然是一個(gè)主要目標(biāo)，但尚未完全實(shí)現(xiàn)。它仍然需要軟件。不涉及具有不涉及代碼執(zhí)行的中斷或事件驅(qū)動(dòng)情況的應(yīng)用程序。每個(gè)軟件執(zhí)行都需要能量，因?yàn)樗鼈儠?huì)激活主要的硬件模塊，例如主存儲(chǔ)器、總線(xiàn)系統(tǒng)、內(nèi)核中的代碼執(zhí)行等。

【圖3 | 能源概況；能量模式之間的頻繁變化讓開(kāi)關(guān)電流成為主要的能量損失（紅色區(qū)域）。簡(jiǎn)而言之，它消耗能量而對(duì)應(yīng)用程序沒(méi)有好處。此外，如果使用軟件來(lái)切換模式（場(chǎng)景 1c），則會(huì)增加能源浪費(fèi)。］

在現(xiàn)實(shí)生活中，用戶(hù)想要決定他/她的操作模式。硬件提供商定義基本模式，然后用戶(hù)設(shè)計(jì)他/她自己的操作模式并使用它們（如何、何時(shí)、何地等）。此外，這些操作模式存儲(chǔ)在定義的位置，可以編輯或不可編輯，甚至可以添加新的客戶(hù)定義的操作模式。操作模式可以是專(zhuān)用的、受保護(hù)的，并分配給定義的硬件和軟件部分。此外，在沒(méi)有任何軟件支持的情況下可以在中斷期間使用相同的模式（從而減少能源需求）。

通常，定義的操作模式描述靜態(tài)、穩(wěn)定的模式，例如運(yùn)行、空閑等。這里提出的方法額外管理模式變化的過(guò)程，尊重各種動(dòng)態(tài)行為，并包括從源模式到目標(biāo)模式的安全轉(zhuǎn)換。如果無(wú)法執(zhí)行或僅部分執(zhí)行此類(lèi)轉(zhuǎn)換，則安全轉(zhuǎn)換需要包括安全響應(yīng)（例如，對(duì)錯(cuò)誤處理程序）——此時(shí)安全狀態(tài)也是必不可少的。

包括電源管理在內(nèi)的操作模式依賴(lài)于數(shù)據(jù)，而不是固定于僅供應(yīng)商定義的行為或僅供應(yīng)商定義的控制數(shù)據(jù)和位。取決于應(yīng)用程序的參數(shù)可以存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)。如果外部條件發(fā)生變化，只有數(shù)據(jù)內(nèi)容會(huì)發(fā)生變化，用戶(hù)代碼不會(huì)發(fā)生變化。

【圖4 | 應(yīng)用受控操作模式策略對(duì)能量分布的影響。］

必要的操作模式可以以盡可能低的能量消耗執(zhí)行，如在睡眠模式中。不同之處在于避免了主要的開(kāi)關(guān)損耗！無(wú)需軟件參與即可更改模式；例如，將操作模式的頻率調(diào)整為可用的能源（例如低功耗 LDO）。

結(jié)論

操作模式可以組織給定系統(tǒng)架構(gòu)的操作，而不僅僅是功率或能量模式。系統(tǒng)架構(gòu)控制不同功能塊的協(xié)作，包括操作模式的動(dòng)態(tài)方面（例如，它們對(duì)電源變化、穩(wěn)定條件等的響應(yīng)）以及從一種模式到另一種模式的變化。模式之間的轉(zhuǎn)換由參數(shù)決定，并且可以在不更改操作模式管理器的情況下安全地適應(yīng)新要求。

安全操作參數(shù)可以是操作模式數(shù)據(jù)的一部分。分配所有或部分操作模式數(shù)據(jù)的所有權(quán)的參數(shù)也是數(shù)據(jù)的一部分。此外，由于操作模式數(shù)據(jù)可能位于存儲(chǔ)器中，因此可以使用例如眾所周知的 MMU 方法來(lái)保護(hù)它們。一個(gè)示例是，屬于應(yīng)用程序或其一部分的此類(lèi)數(shù)據(jù)可以與程序代碼和數(shù)據(jù)位于相同的封裝內(nèi)存中。支持運(yùn)行模式數(shù)據(jù)集的生成，包括安全運(yùn)行的驗(yàn)證，可支持高級(jí)工具集。

審核編輯：郭婷