引言

在經常提及物聯網 (IoT)的新時代——數十億的“智能終端”，預計在未來十年內會把各種應用與設備都連接起來——嵌入式技術不再僅僅限于以機械方式生產基本商品。物聯網是數據和控制自動化的時代，互連設備和節(jié)點收集信息并與智能系統(tǒng)進行通信，實時解決問題(例如當系統(tǒng)檢測到無人在家時會自動調整恒溫器)。嵌入式技術的本質便是將傳感、處理和連接結合起來使IoT變成現實。

人們對功能性、連接性及便攜性的需要呈指數級增加，而大眾市場電池技術尚未能同步前進，無法滿足市場需求。終端節(jié)點通常采用電池供電，需要具有極長電池壽命才能保證穩(wěn)定可靠兼且保持較低成本。一方面能耗預算決定了新產品的最終設計，而市場方面又不允許制造商降低性能。設計人員面臨的挑戰(zhàn)是，必須以相同甚至更低的能耗預算實現更高的性能目標。

高能效的整體趨向

越來越多的“智能技術”產品需要滿足用戶的更多功能要求，而僅僅通過查看原始數據表上的數字來判斷能效的方法已經無法提供充分有力的參考。能耗預算需要考慮“低功耗”，或者在提供特定功能時消耗了多少電流，此外，還需要考慮更多的要素“能源效率”或者說一段時間內的能耗。換句話說，我們必須查清楚在單位時間內完成指定任務的耗電量是多少。

在嵌入式系統(tǒng)中，低功耗才是王道，目標是更高能效的通過多任務的管理去完成一個應用程序。這些任務通?？梢愿爬槿齻€階段：初始化階段、控制階段(其中可能包括數據采集、通信和控制)及計算階段。在這三個階段降低能耗的公式非常簡單，用更少的能源和時間完成更多操作(能耗= 功率 x 時間)。要真正實現目標不只優(yōu)化其中一個階段，而是需要優(yōu)化所有階段。

在所有階段實現節(jié)能有三個要素。首先，必須少激活和低待機功耗。其次，必須具有節(jié)能外設，這些外設要智能的、在不一直喚醒CPU的前提下采集、處理并存儲數據。第三，必須減少計算階段的處理時間，以返回深度睡眠模式，然后再重新開始整個過程。

飛思卡爾深入研究了MCU的所有階段和各個方面，目的是解決更大的問題：你怎樣用更少的能耗去做更多操作?結合整體觀念來考慮能效問題對目前市場來說還比較新穎。飛思卡爾致力于幫助客戶從這種新方法中獲益。

Kinetis L 系列：全球能效最高的32位MCU

飛思卡爾幾十年來不斷關注新興應用趨勢并為客戶開發(fā)解決方案，并充分利用這些經驗，致力于為更廣泛的應用提供高能效的產品解決方案。Kinetis MCU產品組合提供卓越的低功耗性能，并具有智能功能集成、廣泛的外設及高擴展能力等優(yōu)勢。多個Kinetis MCU家族，其中Kinetis L系列在內是飛思卡爾高能效解決方案的最佳典范。

Kinetis L 系列MCU是 Kinetis 產品組合內新上市的產品，與同類入門級MCU相比，大大改進了功能和效率，能夠在初始化、控制和計算階段顯著提高能效。請注意查看圖1所示的能效，該圖用橙色表示Kinetis L 系列的能耗曲線對比用褐色曲線的其他同類產品。

圖 1：Kinetis L系列MCU可在應用的所有階段，即初始化、控制和計算階段，大大提高能效。

在開發(fā)Kinetis L系列的過程中，重點圍繞一個看似簡單的概念：如何在沒有CPU干預的情況下采集數據，然后快速喚醒MCU，盡可能快速、高效地執(zhí)行相關功能，然后返回睡眠模式?最后實現的結果是大大降低了曲線下方整個板卡的能耗(參見圖1)，為達到這個結果，我們采用了ARM Cortex-M0+ 處理器，為多個用例使用了超低功耗模式，還有節(jié)能型架構技術以及一系列智能功耗管理的自主外設。

突破性設計：10 種靈活的功率模式

傳統(tǒng)的MCU過去只采用三種電源模式：運行、睡眠和深度睡眠。然而，這種“以一概全”的思路對于嵌入式產品并不適用，因為嵌入式產品有多種不同的電源配置。飛思卡爾設計團隊充分利用飛思卡爾在MCU方面的豐富經驗，并基于常見示例考察了多種潛在應用和情景，進行了全面、深入的分析。

分析結果表明，Kinetis L 系列MCU將傳統(tǒng)的3種電源模式擴展為10種靈活的模式，能夠支持多種應用用例，從而減少了能源曲線下方的面積，大大提高了能效。當逐步進入深度睡眠模式時，MCU開始在功能上為更多邏輯和內存控制功耗，同時還減少節(jié)能外設。

*計算操作啟用：3.6 mA @ 48 MHz 內核 / 24 MHz 總線)

**計算操作啟用：144 uA @ 4 MHz 內核 / 1 MHz總線)

a 部分Kinetis L 系列設備上提供

表 1：Kinetis L系列MCU將傳統(tǒng)的電源模式擴展至10種靈活的模式，支持各種應用用例。

表 2：初級電源模式術語

通過系統(tǒng)架構創(chuàng)新提高能效

Kinetis L 系列MCU之所以能效高，在很大程度上要歸功于一個創(chuàng)新的架構，該架構結合并改進了ARM Cortex-M0+處理器的多個低功耗特性，而其它MCU通常未完全將它優(yōu)化。例如，要簡化應用的初始化階段，可以使用位操作引擎 (BME)，當該引擎在外設上執(zhí)行以位為導向的數學運算時可使循環(huán)時間與代碼大小平均減少40%。BME對 OR、AND、XOR等函數進行位字段插入和位字段提取進行編碼。相反，傳統(tǒng)的32位處理器則需要多個指令才能執(zhí)行等效的讀取-修改-寫操作。

另一個創(chuàng)新特性是低功耗啟動選項，借助該選項可在啟動順序或深度睡眠喚醒時減少峰值功率。這在因電池化學限制允許峰值電流的系統(tǒng)(例如，使用鋰離子電池的系統(tǒng))中尤為有用。此外，通過零漏電I/O和可避免過多電耗的外設時鐘門控配置，避免超過漏電電流。

Kinetis L 系列MCU采用飛思卡爾創(chuàng)新、屢獲殊榮的閃存技術，提供業(yè)界功耗最低的閃存部署。這改進了傳統(tǒng)的基于芯片的電荷存儲方法，創(chuàng)建了納米級硅島來存儲電荷，而不使用連續(xù)膜，進一步使閃存不被典型的數據丟失因素所影響。

智能電源外設

Kinetis L系列MCU在外設內實現了低功耗智能，允許外設在深度睡眠模式下通過備用時鐘源自主運行。L 系列外設猶如微型內核，能夠在不喚醒主內核或系統(tǒng)的前提下執(zhí)行任務，從而大大降低功耗，提高電池使用壽命。例如，Kinetis L 系列 MCU包含異步DMA (ADMA)喚醒功能，允許某些外設在停止和VLPS模式下請求DMA傳輸。ADMA模塊將在外設和存儲器之間進行數據傳輸，而無需返回運行模式，也無需請求處理器進行干預。支持外設在深度睡眠狀態(tài)下繼續(xù)運行，可向SRAM中的數據陣列來回傳輸數據，直至收集到足夠數據進行處理。其它競爭產品則需要喚醒到全運行模式去激活外設并完成數據收集階段，然后返回深度睡眠模式。

例如，回到圖 1。采用Kinetis L 系列 MCU，數據收集階段在深度睡眠模式下開始并顯示了低功耗定時器觸發(fā)的三個周期性事件。該定時器觸發(fā)低功耗ADC轉換啟動，并通過ADC內置的比較特性將結果與預編程的閾值進行對比。該特性可避免一旦得出的值不在理想參數范圍內時需要存儲結果。請注意，前兩個事件不觸發(fā)去存儲結果。然而，最后一個事件則會觸發(fā)，而不用喚醒CPU來存儲數據，相當微小的能量溢出。這是可以實現的，因為L系列的節(jié)能型外設支持異步DMA 喚醒功能，可以將ADC結果存儲到SRAM供以后處理，在這個過程中CPU依然處于睡眠狀態(tài)。在DMA傳輸完成后，MCU會自動返回深度睡眠模式。在通過低功耗UART收集或傳輸完足夠的數據后，CPU便可以‘喚醒’，并開始計算階段。這只是Kinetis L 系列 MCU提供節(jié)能外設的其中一個例子。

為了最大限度地利用深度睡眠電源模式的高能效，外設的智能集成是至關重要的。在傳統(tǒng)的MCU中，必須激活主時鐘和處理器內核才能執(zhí)行任務，即使是執(zhí)行發(fā)送或接收數據、捕捉或生成波形或采樣模擬信號等小任務也是如此。

表3

Kinetis L系列MCU在正面比拼的競爭中勝出

在與競爭對手相應的16位低功耗MCU展開正面能效基準挑戰(zhàn)賽中，L 系列證明它是全球能效最高的入門級MCU。每個MCU都由完全相同的充電電路供電，并都對低功耗運行進行了優(yōu)化。這些MCU執(zhí)行重復周期的EEMBC CoreMark®迭代，然后進入五秒鐘的深度睡眠期，連續(xù)重復上述操作直到最后一個MCU依然能夠激活。在與同級別超高效競爭對手對比中，Kinetis L 系列MCU是堅持到最后的那款。

Kinetis L 系列MCU將一流的處理能力與卓越的低功耗運行相結合，測量得出的結果為15.9 CoreMark/mA，遠高于最具競爭產品的參數(參見下圖2)。

圖 2：Kinetis KL02 MCU集一流的處理能力與卓越的低功耗運行于一身，以測量結果為15.9 CoreMark/mA，的優(yōu)異成績勝出。

結語

飛思卡爾的創(chuàng)新思維，通過Kinetis L系列MCU卓越的能效領導地位，為嵌入式系統(tǒng)打開了一扇新的大門，為物聯網帶來的希望。無論是需要延長電池壽命、提高便攜式性能、降低能源成本還是遵從能源標準，飛思卡爾廣泛的嵌入式高能效產品解決方案都能夠使新一代應用實現功耗與性能的完美平衡。

——本文選自電子發(fā)燒友網4月《物聯網技術特刊》EE Design欄目