中心議題：

• 能源用于睡眠模式以及每個(gè)操作模式

解決方案：

• Cortex-M3既降低內核功耗又注重支撐架構
• 采用EFM32開(kāi)發(fā)工具包及能源監控系統

能源敏感應用的配置不斷增加，它是指設備必須用一個(gè)單一電池長(cháng)時(shí)間運作。通常包括的應用有能源計量、傳感器網(wǎng)絡(luò )或環(huán)境監測的其它形式，在這些應用中設備的占空比很低，因此希望運行多年而不會(huì )受到用戶(hù)干預。

許多這些設備將使用流行的CR2032紐扣電池;一種3V的鋰/二氧化錳原電池。與5.6kΩ負載的2V終點(diǎn)電壓一樣，這些紐扣電池的典型容量為230mAh，相當于約0.5毫安的放電，這使它們的壽命長(cháng)達400小時(shí)。但是，這種紐扣電池設計具有約為0.25μA的自放電率，這意味著(zhù)它的保質(zhì)期會(huì )長(cháng)達20年。 在這兩個(gè)極端之間的就是能源敏感的應用;它在低電壓下運行的設備中電流消耗最小, 還提供可靠、可持續的功能。因此，很明顯，任何希望用一個(gè)單紐扣電池就實(shí)現類(lèi)似主動(dòng)壽命的應用都需要能夠將平均需求量維持在約0.25μA。

壽命需要之所以要如此長(cháng)是因為它所涉及到的應用領(lǐng)域。在通常情形下，這種新興設備類(lèi)別針對的是消費者，其零售價(jià)格支持不了電池更換。它也可能是指那些無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)區域的配置，必須在沒(méi)有額外電源的情況下可靠地運行多年。重要的是，這是一個(gè)發(fā)展中的應用領(lǐng)域，很需要非常低功率的綜合解決方案。
歷史上這些應用都包括一個(gè)低功耗微控制器, 任務(wù)是提供一切所需的計算能力，同時(shí)也負責管理自己的睡眠周期，以節省電力。 微控制器的晶體管數量通常很小，它們的設計最大限度地減少了主動(dòng)功耗和被動(dòng)泄漏十分重視超低功耗設計，過(guò)程特別像節點(diǎn)收縮。在這些應用中的微控制器將在睡眠模式下花掉盡可能多的時(shí)間，對簡(jiǎn)單充電，不定期做測量的設備來(lái)說(shuō), 要花掉99.9％的時(shí)間并不少見(jiàn)。

因此，這種方法主要集中于降低在那些睡眠時(shí)間內保存的電量，在它們能做到的電力保存方面的技術(shù)已經(jīng)陷入僵局。
人們從根本上質(zhì)疑這種做法，因為它能實(shí)現的主動(dòng)功耗很有限，其基礎是每個(gè)時(shí)鐘周期要求的電源產(chǎn)品和完成處理任務(wù)所需的時(shí)鐘周期數。

隨著(zhù)人們對正常運行時(shí)間的要求變得更長(cháng)了，該行業(yè)正在從整體上看待問(wèn)題，考慮能源如何才能不僅用于睡眠模式，而且用于每個(gè)操作模式。量身訂做的開(kāi)發(fā)解決方案更加接近這些消耗資源的應用，使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)能用一個(gè)單一的原電池運行10年，15年，甚至20年。 觀(guān)念的改變
由于微控制器的定位，在這個(gè)能源敏感的產(chǎn)品范疇內，開(kāi)發(fā)者已經(jīng)嚴重依賴(lài)于8位設備。微控制器在執行相對簡(jiǎn)單的任務(wù)時(shí)會(huì )比較有效，所以很自然，他們會(huì )首選為在這一新興的應用領(lǐng)域而設計，其中加工方面的需要首先受到了限制。然而，由于這個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)展，人們對處理能力的需求日益增加，導致微控制器離開(kāi)了其運作的最佳區域。人們對更復雜的數據管理、接口和通訊的需要意味著(zhù)資源有限的微控制器在性能和能耗方面不能再提供最高效率了。

當面對更多處理能力的需要時(shí)，自然而然地就會(huì )轉移到32位架構。但是這種處理器類(lèi)別攜帶有較高的晶體管數量，因而有較高水平的靜電/泄漏電源。事實(shí)上，ARM Cortex - M3在實(shí)施一個(gè)非常低的泄漏過(guò)程時(shí)會(huì )配合或提高一個(gè)典型的8位微控制器的靜電/泄漏電流數字。

無(wú)論是否有靜電泄漏，任何內核在主動(dòng)處理時(shí)所消耗的電源將大大增加整個(gè)電源預算。在操作時(shí)，Energy Micro在其首個(gè)產(chǎn)品系列 EFM32 Gecko中采用ARM Cortex - M3，其在正常運行的情況下只消耗了很少的180μA/MHz, 明顯低于其競爭架構或Cortex - M3的其它執行方式。Energy Micro已經(jīng)通過(guò)認真實(shí)施低漏電工藝實(shí)現了這個(gè)目標，并保持了低功耗運行的首要設計目標。

本質(zhì)上，CMOS晶體管消耗的大部分主動(dòng)電流發(fā)生在切換時(shí)。通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的門(mén)控同步時(shí)鐘結構，EFM32架構隨時(shí)保持最少的開(kāi)關(guān)，大大減少了不必要的晶體開(kāi)關(guān)數量。這對主動(dòng)電源極為有效，它通過(guò)總線(xiàn)架構延伸，甚至到達執行程序內存的內核。該架構的設計很方便直接運行閃存，可通過(guò)減少訪(fǎng)問(wèn)內存來(lái)進(jìn)一步省電。

Cortex - M3的另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)勢是它提供了先進(jìn)的睡眠模式，在EFM32里得到了進(jìn)一步增強。由于這些設備在睡眠模式下花掉了大多數的運行壽命，在睡眠模式下提供盡可能多的靈活度很有意義。EFM32提供5種睡眠模式, 運行模式（EM0）花費了180μA/MHz而關(guān)斷模式只花費20nA（EM4）。

任何微處理器的電源配置包括兩個(gè)主要內容，基線(xiàn)力量 - 包括功能模塊使用的電源，如電壓調節器和電流偏置發(fā)生器 – 以及頻率相關(guān)因素。Energy Micro的方法是要特別注意基線(xiàn)功耗，在較低的頻率時(shí)這些功耗不會(huì )不受損，而某些架構會(huì )受損。
[page] 以EFM32系列為基礎的Cortex - M3不僅注重于降低內核的功耗，而且注重于支撐架構。功能模塊調制器、比較器和振蕩器在設計時(shí)都必須要考慮到應用，移進(jìn)和移出睡眠模式都要求這些功能模塊也進(jìn)入省電狀態(tài)，不言而喻，睡眠模式越深,它要把一個(gè)設備恢復到全速需要的時(shí)間越長(cháng)。 EFM32總共使用6個(gè)定制設計的振蕩器，提供快速的喚醒時(shí)間，使內核從睡眠模式中更快開(kāi)始處理。它通過(guò)使用僅有0.5微秒啟動(dòng)時(shí)間的內部RC振蕩器來(lái)達到這個(gè)目的。這使得內核可以更快地從睡眠中喚醒、評估和執行任務(wù) - 因此電源效率比其它設備高。

在開(kāi)發(fā)設備時(shí)如果腦中有這樣的想法，睡眠模式的功能就會(huì )有最佳組合，在應用開(kāi)發(fā)過(guò)程中為用戶(hù)提供最大的靈活性。一個(gè)更有能力的內核比不那么強大的解決方案需要的處理時(shí)間更短，這樣總電源才會(huì )降低。具有睡眠模式之間快速有效移動(dòng)的能力，其結果其電源曲線(xiàn)大大低于競爭對手的。

為了使開(kāi)發(fā)者能夠最好使用最佳睡眠狀態(tài)，EFM32的開(kāi)發(fā)工具包采用一個(gè)先進(jìn)的能源監控系統來(lái)完成，這一設施使用一個(gè)從模擬到數字的轉換器來(lái)測量系列晶體管的下降電壓, 從而不斷測量電源軌上的電流。這種測量方法被綜合起來(lái)運用，準確地描繪用了一段時(shí)間的電源，使實(shí)際使用例子的低功率運行得到了優(yōu)化。 Cortex - M3內核能夠執行軟件中的眾多任務(wù)，其低功耗運行決定了某些功能仍可以處理更多的硬件電源效率。 為EFM32開(kāi)發(fā)的外圍設備用于自主運作，無(wú)需內核的干預。使用一個(gè)復雜的互連矩陣外圍設備反射系統，EFM32的外圍設備能夠執行不喚醒睡眠模式下內核的相對復雜的功能。 在典型應用中，例如它可能經(jīng)常使用ADC來(lái)進(jìn)行測量。EFM32具有低水平驅動(dòng)程序庫的特點(diǎn)，支持Cortex - M3配置自主操作的外圍設備。這樣，一旦配置好了，它們就可以執行許多任務(wù)，無(wú)需喚醒內核。
使用硬件加速也支持其它處理器密集型功能的卸載，從而加深睡眠狀態(tài)。例如，EFM32實(shí)現了硬連線(xiàn)的AES加密塊，這個(gè)功能越來(lái)越多地被用來(lái)保護最普通的數據。盡管AES加密算法不是Cortex - M3的一個(gè)具有挑戰性的任務(wù)，把它交給一個(gè)硬件加速塊還是可以節省更多的處理器周期，因此，無(wú)需名義上的彌補，就能代表更多的晶體管數量。

對超低功耗器件的要求，加上有同類(lèi)領(lǐng)先的節能特性的超級處理器性能的指數速度在不斷提高，預計各種應用中將會(huì )繼續使用它們，增加它們的特性。隨著(zhù)ARM架構的普及，Cortex - M3的效率和Thumb2指令集的性能產(chǎn)生出令人矚目的解決方案和理想的平臺，用于未來(lái)超低功耗解決方案的開(kāi)發(fā)。Energy Micro開(kāi)發(fā)低功率解決方案的整體方法將繼續下去，基于A(yíng)RM架構和自己在超低功耗設計。