MCU的高集成度与低功耗设计权衡

低功耗设计和能耗管理

能耗管理是芯片设计、制造工艺、系统设计、软件工程师都在为之而努力的研究课题，人们力求在各个环节尽可能地减少静态和动态的电源消耗。传统的控制电压的调节方式和管理待机模式依然被多数电子设备正在采用，还将继续延续下去，但是随着包括移动终端、无线传感网络装置、新型智能玩具、便携式血糖仪、血压计和体能监测仪等手持医疗设备等 这些对电量消耗极大和永远在线的设备市场规模的迅速增加，解决电源管理已经成为整个电子设计正在面临的重要课题， 市场对绿色产品的需求促使制造商考虑采用低功耗的待机模式，作为嵌入式系统灵魂部件的MCU近年在低功耗设计和能耗管理方面的动作很大，各种新产品应运而出。

Silicon Lab 是一家以提供 8051 核MCU为主的公司，最近发表的单电池供电的 80C51MCU——8051F9XX，最低电压可到 0.9V，其超低电压供电是业界少见的。该芯片内置了DC/DC 电压转换器和 LDO 转换器，可以提供恒定的 1.7V 电压和电流，以适应外设的工作，也可以减少电路板的尺寸，更重要的是 80C51F9XX 有超低功耗的休眠模式(电流只有 50nA )，大大提高了电池的效率和使用时间。

图 2 显示了该芯片电流随频率的变化。

另外一款 MCU 是 Atmel 公司发布的行业第一款超低功耗 ARM7TDMI 闪存 MCU - AT91SAM7L，它在关机模式只消耗 100nA 电流，这得益于 该系列产品嵌入了控制多个功率岛的功率开关，以及可编程的电压调节器，用于降低工作和待机模式下的功耗。AT91SAM7L 系列产品针对工作和待机模式吸收了嵌入式 CPU 的动态电源管理技术，采用 MCU 领域里创新的降低功耗方式。在工作模式下，能通过编程设置工作电压和工作频率、外设时钟活动，采用 DMA 来替代 CPU 完成数据传输，可以优化功耗。 SAM7L 采用单电压 1.8V 模式工作，在闪存中执行代码时，典型的电流消耗为 0.5mA/MHz 。不同待机模式的功耗可通过多种方式来加以控制(包括功率开关和可调电压调节器)，可以看到先进的电源管理技术使得AT91SAM7L 具有良好的节能效果，再配合系统的优化，可以预见基于 AT91SAM7L 的嵌入式装置的功耗管理可以达到相同的水平。另外，谈到超低功耗 MCU 产品，还应该提到的是 TI 公司的 MSP430543X 16 位超低功耗 MCU ，MSP430543X 是在 MSP430 家族衍生出的一个强调低功耗的芯片，继续继承了高集成的外设支持、低电压工作模式、丰富连接方式(包括红外，多串口等)，以适合便携测试装置设计外，特别值得一提的是 DSC 的使用使得快速唤醒时间提高到 5us 以内，已经非常接近 8 位 MCU8051F9XX 的数量级。这对于工业测量装置满足实时性要求是非常重要的。一个优秀的快速唤醒技术可以让降低功耗和保持实时性达到统一。

开发工具的融合

伴随电子产品复杂度增加， MCU 程序代码量日益增加，虽然 C 语言已经是 MCU 逐鹿的开发语言，但是考虑到不同的 MCU 之间的差异(例如寄存器和外设接口)、不同厂家 C 语言的工程文件和宏定义等方面的问题，还有采用的 RTOS 的不同，代码的移植和移植后的测试还有一个相当大的工作量。一种方案是继续沿用老的 MCU 或者升级换代的兼容产品，这样工具就可以继续延用了，另外就是采用统一的开发工具支持不同厂家的 MCU 。

最近一段时间的两件事情应该是验证了统一工具的重要性。一是; ARM 在 2007 年收购 Keil 公司后重新整合了 ARM 开发工具，发表了新的针对 MCU 市场的 ARM MDK，其中使用 Keil uVision IDE 和工程管理取代了以前的 ARM RealView/SDT, 让过去许多已经熟悉了 Keil 51 的用户，能够在工具方面没有障碍地转移到 ARM 结构 MCU。二是;飞思卡尔公司宣布它们的 Coldfire 支持 IAR EW(embedded workbench)工具，因为 IAR EW 可以支持各种 8 、16 和 32 位 MCU，大家知道之前飞思卡尔一直是只支持自己的 Codewarrier 工具，这样的工具融合现象说明了MCU 厂家已经意识到一致性工具对用户的重要性。

结语

面向无处不在的各种各样的嵌入式应用，MCU 未来的发展一定是丰富多彩的，从历史发展的轨迹看，一种芯片、一家公司和一种体系结构无法满足变化万千的市场需求，正确把握 MCU 的发展趋势，选择适合你的产品和开发工具，是保证产品质量、生产成本和开发周期的关键。同时关注 MCU 的动态，选择具有特色的 MCU 能够帮助你的产品创新和差异化设计，收到与众不同的效果。