隨著最近一連串的低功率微控制器(MCU)新產(chǎn)品發(fā)布，MCU供應(yīng)商開始追逐以電池供電的行動(dòng)裝置等成長(zhǎng)中的市場(chǎng)，特別是與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)有關(guān)的領(lǐng)域。利用嵌入式微處理器基準(zhǔn)聯(lián)盟(EEMBC)去年發(fā)布的ULPBench功率基準(zhǔn)，MCU供應(yīng)商正投入一場(chǎng)較勁低功耗指標(biāo)的競(jìng)賽，不斷刷新測(cè)試結(jié)果的新產(chǎn)品，使得超低功耗處理技術(shù)的業(yè)界主導(dǎo)地位也不斷地交替著。 盡管這看來(lái)就像是一場(chǎng)行銷競(jìng)賽，但在供應(yīng)商為了降低功耗而提升自家技術(shù)時(shí)，開發(fā)人員終將成為最后的贏家。

過(guò)去，低功耗MCU往往意味著低性能，但隨著供應(yīng)商不斷為低功耗應(yīng)用提供越來(lái)越強(qiáng)大的MCU，開始對(duì)這種關(guān)聯(lián)性提出挑戰(zhàn)。然而，開發(fā)人員卻面臨著如何衡量MCU產(chǎn)品的問(wèn)題。例如面對(duì)裝置提供多種功率狀態(tài)時(shí)，包括mW/MHz的作業(yè)電流與睡眠模式的漏電流等傳統(tǒng)規(guī)格，已經(jīng)變得越來(lái)越難評(píng)估。同時(shí)，在工業(yè)領(lǐng)域中，對(duì)于低功耗作業(yè)特性的描述和規(guī)則也經(jīng)常不一致。

此外，許多應(yīng)用需要能快速回應(yīng)事件的長(zhǎng)休眠期MCU。在這一類應(yīng)用中，包括喚醒時(shí)間和回到睡眠狀態(tài)前執(zhí)行響應(yīng)所需的時(shí)間等參數(shù)，將嚴(yán)重影響到MCU實(shí)際應(yīng)用的總功耗。在評(píng)估低功耗元件所宣稱的準(zhǔn)確度時(shí)，這些因素將產(chǎn)生重要影響。

ULPBench標(biāo)準(zhǔn)首先在2014年3月的EEMBC聯(lián)盟發(fā)布，目標(biāo)在于為開發(fā)人員提供能‘可靠與合理測(cè)量MCU能效’的方法。去年十月，ULPBench以及公開發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)硬體測(cè)量平臺(tái)EnergyMonitor，共同成為MCU供應(yīng)商如今不斷宣傳的新測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

EEMBC主席MarcusLevy表示，“ULPBench是最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)之一。這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)可在1秒鐘內(nèi)對(duì)MCU執(zhí)行2萬(wàn)次時(shí)脈周期作業(yè)，并在接下來(lái)的幾秒內(nèi)進(jìn)入休眠。透過(guò)這種方法讓每個(gè)處理器執(zhí)行的工作量一樣，從而使執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境相同。

最終的分?jǐn)?shù)是每10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)周期中，用1,000除以中間值，得出平均功耗，因此，數(shù)值越大就代表功耗越低。

利用EEMBC聯(lián)盟的ULPBench工具，測(cè)量MCU核心處理器在一連串‘睡眠-處理-睡眠周期’期間所使用的功耗。

業(yè)界MCU供應(yīng)商最近利用這項(xiàng)基準(zhǔn)發(fā)布了一系列的測(cè)試結(jié)果，宣稱超越其他公司并占據(jù)暫時(shí)的領(lǐng)先地位。一開始是意法半導(dǎo)體(ST)在2月中發(fā)布其STM32L4MCU系列。這款基于ARMCortex-M4處理器的產(chǎn)品在ULPBench基準(zhǔn)測(cè)試中得到了123.5分。一周后，德州儀器(TI)發(fā)布其基于Cortex-M3的SimpleLinkC26xx無(wú)線MCU系列得到143.6分。

TI不久后又發(fā)布基于CortexM4F的MSP-432系列，它在ULPBench取得了167.4分，超越自家前不久保持的記錄。然而，TI才剛向媒體簡(jiǎn)報(bào)這款產(chǎn)品時(shí)，愛特梅爾(Atmel)旋即悄悄地發(fā)布了一款經(jīng)ULPBench測(cè)試得到185.5分的產(chǎn)品——基于CortexM0+的SAM-L21MCU。

然而，當(dāng)AmbiqMicro發(fā)布其ApolloMCU測(cè)試評(píng)分后，上述所有的產(chǎn)品均黯然失色。這款基于Cortex-M4F核心的元件采用次閾值邏輯技術(shù)，而且利用邏輯水平比傳統(tǒng)CMOS水平更小的電壓浮動(dòng)。Ambiq行銷副總裁MikeSalas表示，相較于傳統(tǒng)邏輯，電壓浮動(dòng)減少不僅可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)轉(zhuǎn)換，而且動(dòng)態(tài)功耗比更低10倍。

低功耗比分超越競(jìng)賽看來(lái)還將持續(xù)一段時(shí)間，AtmelMCU業(yè)務(wù)部產(chǎn)品行銷總監(jiān)AndreasEieland表示：“低功耗是每家廠商傾注許多研發(fā)資源的領(lǐng)域，而且還用比以往更快速的步伐向前進(jìn)展。也許我們現(xiàn)在的功耗是最低的，但你永遠(yuǎn)不知道競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手努力的目標(biāo)。所以，我們也在尋求下一步進(jìn)展。”

Levy表示，雖然暫停不斷提高的低功耗標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)賽十分吸引人，但對(duì)于開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，他們卻可以從這些活動(dòng)中得到實(shí)際的價(jià)值。透過(guò)像這樣的測(cè)試基準(zhǔn)工具以及一點(diǎn)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，才能讓廠商瞭解如何改善自家產(chǎn)品。在基準(zhǔn)范圍內(nèi)，他們將會(huì)思考如何得到更好的分?jǐn)?shù)，以及學(xué)習(xí)如何最佳化編程，更快速地實(shí)現(xiàn)低功耗模式。

這樣的經(jīng)驗(yàn)同樣適用于硬體設(shè)計(jì)領(lǐng)域，專門提供一連串的節(jié)能技術(shù)以及可讓供應(yīng)商傳授給客戶的軟體訣竅。“同樣的事情也發(fā)生在CoreMark，”Levy強(qiáng)調(diào)“供應(yīng)商明白編譯器的選擇可改善性能，這些事自始至終都應(yīng)該如此，而今卻得透過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)刺激工具的導(dǎo)入。”

ST產(chǎn)品行銷經(jīng)理StuartMcLaren表示：“我們學(xué)到的其中一件事是為我們的低功耗產(chǎn)品提供大量的彈性度。ULP基準(zhǔn)只是低功耗的應(yīng)用之一。其他的應(yīng)用各不相同，而我們需要大量的可用模式供開發(fā)人員選擇適合應(yīng)用的元件。”

“我們還將為周邊設(shè)備提供更智慧的多種選擇，”ST應(yīng)用工程師AlecBath說(shuō)：“例如我們的I2C介面可執(zhí)行位址匹配功能，當(dāng)裝置接收到訊息時(shí)才啟動(dòng)CPU。否則，它將忽略流量而讓CPU進(jìn)入休眠模式。我們還為ADC提供時(shí)脈源以及不需要CPU時(shí)脈的周邊設(shè)備，使其可在CPU執(zhí)行速度減緩或休眠時(shí)執(zhí)行作業(yè)。此外，還有DMA可讓周邊設(shè)備直接傳送資料至RAM，只在傳輸完成時(shí)才喚醒CPU。”

Eieland表示，低功耗最初的發(fā)展工作主要著重于改善CPU架構(gòu)。“但是，僅僅最佳化CPU是不夠的。”Eieland補(bǔ)充說(shuō)，“因此，我們開始檢查每個(gè)周邊設(shè)備，并為其實(shí)現(xiàn)最佳化，觀察產(chǎn)品的每顆電晶體。我們開始開發(fā)可讓周邊設(shè)備獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)所需的時(shí)脈特點(diǎn)與邏輯，利用最小的電路板完成所需的任務(wù)，甚至建立多種電源域，以便能關(guān)閉未使用的電路，同時(shí)排除其漏電流。”

對(duì)于低功耗的追求，也為軟體開啟了更多機(jī)會(huì)。開發(fā)人員可以利用軟體連結(jié)各種事件，在無(wú)需CPU介入的情況下啟動(dòng)另一個(gè)周邊設(shè)備。Eieland說(shuō)：“此外，透過(guò)平行中斷分層，則可分別為CPU和周邊設(shè)備建立一個(gè)IRQ執(zhí)行緒。”

Eieland補(bǔ)充說(shuō)，低功耗作業(yè)可能不會(huì)影響開發(fā)人員如何編寫其主回圈，但是，他們應(yīng)該尋求利用休眠模式和智慧周邊設(shè)備成為其優(yōu)勢(shì)的機(jī)會(huì)。Salas則表示“當(dāng)今的程式設(shè)計(jì)人員對(duì)能耗不夠重視，但是，軟體對(duì)電源設(shè)計(jì)至關(guān)重要，所以我們將花費(fèi)大量的時(shí)間來(lái)尋找合適的軟體。例如，我們拆解了一個(gè)藍(lán)牙堆疊來(lái)研究功耗元件所在，并發(fā)現(xiàn)重新正確組合元件可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。”

無(wú)疑地，基準(zhǔn)得分記錄將繼續(xù)被刷新。但所有人都認(rèn)為，這些分?jǐn)?shù)只是開發(fā)人員為其設(shè)計(jì)追求低功耗元件的起點(diǎn)。“ULP基準(zhǔn)并非100%公平，但也沒(méi)有哪一種標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到這個(gè)理想。不過(guò)，它在低功耗方面的許多市場(chǎng)行銷，可讓開發(fā)人員用來(lái)比較以及選擇適用元件。

EnergyMonitor能量監(jiān)測(cè)器是EEMBC聯(lián)盟ULPBench工具的一部份，但也可獨(dú)立使用，為MCU提供精確的電源指標(biāo)。

“利用ULP基準(zhǔn)得出的單一數(shù)據(jù)，可作為進(jìn)行評(píng)估的最佳始點(diǎn)。”ST的Stuart說(shuō)：“但是你必須判斷自己的應(yīng)用，以睡眠模式所使用的時(shí)間、高速和低速時(shí)脈下的速度來(lái)看，每一項(xiàng)低功耗應(yīng)用都不一樣，你必須清楚自己的應(yīng)用配置。”

Levy補(bǔ)充說(shuō)，僅單純地著重于‘贏得最高分’將會(huì)迷失目標(biāo)。“終究都得做出權(quán)衡選擇，因此，我們鼓勵(lì)業(yè)者不管產(chǎn)品等級(jí)如何，都盡可能地把得分公布出來(lái)，這將有助于開發(fā)人員決定哪一種結(jié)果更適用于其設(shè)計(jì)方案。”

除了參考基準(zhǔn)得分以外，供應(yīng)商也會(huì)幫助開發(fā)人員選擇。例如ST為開發(fā)人員提供STM32CubeMX功率模擬器來(lái)估算STMCU用于執(zhí)行程式碼時(shí)的功耗。TI則提供其EnergyTrace+能量追蹤技術(shù)，用于評(píng)估其MCU功耗狀況。此外，EEMBC聯(lián)盟的EnergyMonitor能量監(jiān)控器則可像執(zhí)行ULPBench基準(zhǔn)一樣，讓開發(fā)人員用于掌握其程式碼的電量使用。

同時(shí)，Levy說(shuō)，功率基準(zhǔn)也將不斷的進(jìn)展，“目前該基準(zhǔn)集中在CPU和RTC領(lǐng)域，而我們進(jìn)行的改善作業(yè)將圍繞在更多的周邊活動(dòng)上，例如ADC和PWM領(lǐng)域。”