MCU供应商纷纷竞逐低功耗技术

 随着最近一连串的低功率微控制器(MCU)新产品发布，MCU供应商开始追逐以电池供电的行动装置等成长中的市场，特别是与物联网(IoT)有关的领域。利用嵌入式微处理器基准联盟(EEMBC)去年发布的ULPBench功率基准，MCU供应商正投入一场较劲低功耗指标的竞赛，不断刷新测试结果的新产品，使得超低功耗处理技术的业界主导地位也不断地交替着。 尽管这看来就像是一场行销竞赛，但在供应商为了降低功耗而提升自家技术时，开发人员终将成为最后的赢家。

过去，低功耗MCU往往意味着低性能，但随着供应商不断为低功耗应用提供越来越强大的MCU，开始对这种关联性提出挑战。然而，开发人员却面临着如何衡量MCU产品的问题。例如面对装置提供多种功率状态时，包括mW/MHz的作业电流与睡眠模式的漏电流等传统规格，已经变得越来越难评估。同时，在工业领域中，对于低功耗作业特性的描述和规则也经常不一致。

此外，许多应用需要能快速回应事件的长休眠期MCU。在这一类应用中，包括唤醒时间和回到睡眠状态前执行响应所需的时间等参数，将严重影响到MCU实际应用的总功耗。在评估低功耗元件所宣称的准确度时，这些因素将产生重要影响。

ULPBench标准首先在2014年3月的EEMBC联盟发布，目标在于为开发人员提供能‘可靠与合理测量MCU能效’的方法。去年十月，ULPBench以及公开发布的标准硬体测量平台EnergyMonitor，共同成为MCU供应商如今不断宣传的新测试标准。

EEMBC主席MarcusLevy表示，“ULPBench是最严格的标准之一。这项标准可在1秒钟内对MCU执行2万次时脉周期作业，并在接下来的几秒内进入休眠。透过这种方法让每个处理器执行的工作量一样，从而使执行标准的环境相同。

最终的分数是每10个标准周期中，用1,000除以中间值，得出平均功耗，因此，数值越大就代表功耗越低。

利用EEMBC联盟的ULPBench工具，测量MCU核心处理器在一连串‘睡眠-处理-睡眠周期’期间所使用的功耗。

业界MCU供应商最近利用这项基准发布了一系列的测试结果，宣称超越其他公司并占据暂时的领先地位。一开始是意法半导体(ST)在2月中发布其STM32L4MCU系列。这款基于ARMCortex-M4处理器的产品在ULPBench基准测试中得到了123.5分。一周后，德州仪器(TI)发布其基于Cortex-M3的SimpleLinkC26xx无线MCU系列得到143.6分。

TI不久后又发布基于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记录。然而，TI才刚向媒体简报这款产品时，爱特梅尔(Atmel)旋即悄悄地发布了一款经ULPBench测试得到185.5分的产品——基于CortexM0+的SAM-L21MCU。

然而，当AmbiqMicro发布其ApolloMCU测试评分后，上述所有的产品均黯然失色。这款基于Cortex-M4F核心的元件采用次阈值逻辑技术，而且利用逻辑水平比传统CMOS水平更小的电压浮动。Ambiq行销副总裁MikeSalas表示，相较于传统逻辑，电压浮动减少不仅可实现更快的开关转换，而且动态功耗比更低10倍。

低功耗比分超越竞赛看来还将持续一段时间，AtmelMCU业务部产品行销总监AndreasEieland表示：“低功耗是每家厂商倾注许多研发资源的领域，而且还用比以往更快速的步伐向前进展。也许我们现在的功耗是最低的，但你永远不知道竞争对手努力的目标。所以，我们也在寻求下一步进展。”

Levy表示，虽然暂停不断提高的低功耗标准竞赛十分吸引人，但对于开发人员来说，他们却可以从这些活动中得到实际的价值。透过像这样的测试基准工具以及一点市场竞争，才能让厂商瞭解如何改善自家产品。在基准范围内，他们将会思考如何得到更好的分数，以及学习如何最佳化编程，更快速地实现低功耗模式。

这样的经验同样适用于硬体设计领域，专门提供一连串的节能技术以及可让供应商传授给客户的软体诀窍。“同样的事情也发生在CoreMark，”Levy强调“供应商明白编译器的选择可改善性能，这些事自始至终都应该如此，而今却得透过竞争来刺激工具的导入。”

ST产品行销经理StuartMcLaren表示：“我们学到的其中一件事是为我们的低功耗产品提供大量的弹性度。ULP基准只是低功耗的应用之一。其他的应用各不相同，而我们需要大量的可用模式供开发人员选择适合应用的元件。”

“我们还将为周边设备提供更智慧的多种选择，”ST应用工程师AlecBath说：“例如我们的I2C介面可执行位址匹配功能，当装置接收到讯息时才启动CPU。否则，它将忽略流量而让CPU进入休眠模式。我们还为ADC提供时脉源以及不需要CPU时脉的周边设备，使其可在CPU执行速度减缓或休眠时执行作业。此外，还有DMA可让周边设备直接传送资料至RAM，只在传输完成时才唤醒CPU。”

Eieland表示，低功耗最初的发展工作主要着重于改善CPU架构。“但是，仅仅最佳化CPU是不够的。”Eieland补充说，“因此，我们开始检查每个周边设备，并为其实现最佳化，观察产品的每颗电晶体。我们开始开发可让周边设备独立运转所需的时脉特点与逻辑，利用最小的电路板完成所需的任务，甚至建立多种电源域，以便能关闭未使用的电路，同时排除其漏电流。”

对于低功耗的追求，也为软体开启了更多机会。开发人员可以利用软体连结各种事件，在无需CPU介入的情况下启动另一个周边设备。Eieland说：“此外，透过平行中断分层，则可分别为CPU和周边设备建立一个IRQ执行绪。”

Eieland补充说，低功耗作业可能不会影响开发人员如何编写其主回圈，但是，他们应该寻求利用休眠模式和智慧周边设备成为其优势的机会。Salas则表示“当今的程式设计人员对能耗不够重视，但是，软体对电源设计至关重要，所以我们将花费大量的时间来寻找合适的软体。例如，我们拆解了一个蓝牙堆叠来研究功耗元件所在，并发现重新正确组合元件可以实现节能。”

无疑地，基准得分记录将继续被刷新。但所有人都认为，这些分数只是开发人员为其设计追求低功耗元件的起点。“ULP基准并非100%公平，但也没有哪一种标准可以达到这个理想。不过，它在低功耗方面的许多市场行销，可让开发人员用来比较以及选择适用元件。

EnergyMonitor能量监测器是EEMBC联盟ULPBench工具的一部份，但也可独立使用，为MCU提供精确的电源指标。

“利用ULP基准得出的单一数据，可作为进行评估的最佳始点。”ST的Stuart说：“但是你必须判断自己的应用，以睡眠模式所使用的时间、高速和低速时脉下的速度来看，每一项低功耗应用都不一样，你必须清楚自己的应用配置。”

Levy补充说，仅单纯地着重于‘赢得最高分’将会迷失目标。“终究都得做出权衡选择，因此，我们鼓励业者不管产品等级如何，都尽可能地把得分公布出来，这将有助于开发人员决定哪一种结果更适用于其设计方案。”

除了参考基准得分以外，供应商也会帮助开发人员选择。例如ST为开发人员提供STM32CubeMX功率模拟器来估算STMCU用于执行程式码时的功耗。TI则提供其EnergyTrace+能量追踪技术，用于评估其MCU功耗状况。此外，EEMBC联盟的EnergyMonitor能量监控器则可像执行ULPBench基准一样，让开发人员用于掌握其程式码的电量使用。

同时，Levy说，功率基准也将不断的进展，“目前该基准集中在CPU和RTC领域，而我们进行的改善作业将围绕在更多的周边活动上，例如ADC和PWM领域。”