KRC2/VKRC2 00-106-290

目前FPGA的應用主要是三個方向：

　　第一個方向，也是傳統(tǒng)方向主要用于通信設備的高速接口電路設計，這一方向主要是用FPGA處理高速接口的協(xié)議，并完成高速的數(shù)據(jù)收發(fā)和交換。這類 應用通常要求采用具備高速收發(fā)接口的FPGA，同時要求設計者懂得高速接口電路設計和高速數(shù)字電路板級設計，具備EMCEMI設計知識，以及較好的模擬電路基礎，需要解決在高速收發(fā)過程中產(chǎn)生的信號完整性問題。FPGA初以及到目前廣的應用就是在通信領域，一方面通信領域需要高速的通信協(xié)議處理方式， 另一方面通信協(xié)議隨時在修改，非常不適合做成專門的芯片。因此能夠靈活改變功能的FPGA就成為。到目前為止FPGA的一半以上的應用也是在通信行業(yè)。

　　第二個方向，可以稱為數(shù)字信號處理方向或者數(shù)學計算方向，因為很大程度上這一方向已經(jīng)大大超出了信號處理的范疇。例如早就在2006年就聽說老美將 FPGA用于金融數(shù)據(jù)分析，后來又見到有將FPGA用于醫(yī)學數(shù)據(jù)分析的案例。在這一方向要求FPGA設計者有的數(shù)學功底，能夠理解并改進較為復雜的數(shù)學算法，并利用FPGA內(nèi)部的各種資源使之能夠變?yōu)閷嶋H的運算電路。目前真正投入實用的還是在通信領域的無線信號處理、信道編解碼以及圖像信號處理等領域，其它領域的研究正在開展中，之所以沒有大量實用的主要原因還是因為學金融的、學醫(yī)學的不了解這玩意。不過近發(fā)現(xiàn)歐美有很多電子工程、計算機類的博士轉入到金融行業(yè)，開展金融信號處理，相信隨著轉入的人增加，F(xiàn)PGA在其它領域的數(shù)學計算功能會的發(fā)揮出來，而我也有意做一些這些方面的研究。不過國 內(nèi)學金融的、學醫(yī)的恐怕連數(shù)學都很少用到，就不用說用FPGA來幫助他們完成數(shù)學運算了，這個問題只有再議了。

　　第三個方向就是所謂的SOPC方向，其實 嚴格意義上來說這個已經(jīng)在FPGA設計的范疇之內(nèi)，只不過是利用FPGA這個平臺搭建的一個嵌入式系統(tǒng)的底層硬件環(huán)境，然后設計者主要是在上面進行嵌入式軟件開發(fā)而已。設計對于FPGA本身的設計時相當少的。但如果涉及到需要在FPGA做專門的算法加速，實際上需要用到第二個方向的知識，而如果需要設計的接口電路則需要用到第一個方向的知識。就目前SOPC方向發(fā)展其實遠不如第一和第二個方向，其主要原因是因為SOPC以FPGA為主，或者是在 FPGA內(nèi)部的資源實現(xiàn)一個“軟”的處理器，或者是在FPGA內(nèi)部嵌入一個處理器核。但大多數(shù)的嵌入式設計卻是以軟件為核心，以現(xiàn)有的硬件發(fā)展情況來看， 多數(shù)情況下的接口都已經(jīng)標準化，并不需要那么大的FPGA邏輯資源去設計太過復雜的接口。而且就目前看來SOPC相關的開發(fā)工具還非常的不完善，以 ARM 為代表的各類嵌入式處理器開發(fā)工具卻早已深入人心，大多數(shù)以ARM為核心的SOC芯片提供了大多數(shù)標準的接口，大量成系列的單片機嵌入式處理器提供了相關行業(yè)所需要的硬件加速電路，需要專門定制硬件場合確實很少。通常是在一些特種行業(yè)才會在這方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx將ARM的硬核加入 到FPGA里面，相信目前的情況不會有太大改觀，不要忘了很多老掉牙的8位單片機還在嵌入式領域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差異而更多的是靠軟件的差異來體現(xiàn)價值的。

　　我曾經(jīng)看好的是cypress的Psoc這一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史載SOC芯片里面去嵌入那么一小塊 FPGA，那這 樣其實可以滿足嵌入式的那些微小的硬件接口差異，比如某個運用需要4個USB，而通常的處理器不會提供那么多，就可以用這么一塊FPGA來提供多的USB 接口。而另一種運用需要6個UART，也可以用同樣的方法完成。對于嵌入式設計公司來說他們只需要備貨一種芯片，就可以滿足這些設計中各種微小的差異變化 要的差異化仍然是通過軟件來完成。但目前cypress過于封閉，如果其采用ARM作為處理器內(nèi)核，借助其完整的工具鏈。同時開放IP合作，讓大量的第三方為它提供IP設計，其實是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好過，Psoc的思想也不知道何時能夠發(fā)光。便攜式設備對處理器提出的挑戰(zhàn)

　　隨著電子便攜式設備在的風行，人們對電子便攜式設備的要求也越來越高，希望產(chǎn)品有更多的功能，如手機攝像機自動對焦與手機閃信與計步器；希望產(chǎn)品功耗更低，如無線設備、手持POS機和家庭醫(yī)療產(chǎn)品；希望產(chǎn)品體積更小，如運動手表；希望產(chǎn)品的保密性好；處理能力強，如便攜式儀器和運動控制；希望價格更低和開發(fā)周期短。

　　然而困惑的是，很多的便攜式設備往往會同時要有上面的多個要求，然而現(xiàn)實中很難做到：同時滿足高速處理、低功耗和價格？ARM高速，但是功耗而價格高；同時滿足高速處理和小封裝？希望封裝面積小到3×3mm，又要不犧牲速度；同時滿足小封裝和SOC？需要ADC、SPI和12個I/O，而尺寸，好小于5×5mm；開發(fā)周期，ARM性能完全合適，但ARM往往需要操作系統(tǒng)支持，開發(fā)周期長，而市場機遇稍縱即逝。

　　為此，本文將從為電子便攜式設備開發(fā)解決上述這些難題出發(fā)，對如何設計一個低功耗的單片機系統(tǒng)與方法和MCU在低功耗方面的優(yōu)勢進行分析，并小尺寸系列單片機的應用為例作出介紹。

　　2、如何設計一個低功耗的單片機系統(tǒng)

　　問題提出：單片機系統(tǒng)的功耗是否只是由單片機的功耗決定？回答是，以單片機為核心構成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的總能耗是由單片機能耗及其外圍電路能耗共同構成。為了降低整個系統(tǒng)的功耗，除了要降低單片機自身的運行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。

　　2.1如何設計低功耗單片機系統(tǒng)？

　　要設計一個低功耗的單片機系統(tǒng)，需要從硬件和軟件兩方面入手。

　　2.11硬件設計

　　*選用盡量簡單的CPU內(nèi)核。在選擇CPU內(nèi)核時切忌一味追求性能。選擇的原則應 該是“夠用就好”。8位機夠用，就沒有必要選用16位機。一般來說，單片機的運行速度越快，功耗也越大。一個復雜的CPU集成度高、功能強，但片內(nèi)晶體管多，總漏電流大，即使進入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。

　　*選用低電壓供電的系統(tǒng)。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流。目前單片機從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電，降低單片機的供電電壓可以有效降低其功耗。供電電壓降低也是未來單片機發(fā)展的一個重要趨勢。

　　*選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)。低功耗模式指的是系統(tǒng)的Idel（閑置）、Stop（停止）和Suspen（暫停）模式。處于這類模式下的單片機功耗將大大小于運行模式下的功耗。

　　*選擇合適的時鐘方案。時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當敏感，有兩方面的問題要注意：

　　其一、系統(tǒng)總線頻率應當盡量低。單片機內(nèi)部的總電流消耗分為：運行電流和漏電流。單片機集成度越高，環(huán)境溫度越高，漏電流也越大。單片機的運行電流幾乎和其時鐘頻率成正比。降低時鐘頻率，就可以有效降低單片機的功耗。

　　其二、關于時鐘方案。是否使用鎖相環(huán)，使用內(nèi)部振蕩器還是外部振蕩器。現(xiàn)代單片機普遍使用鎖相環(huán)技術，使單片機的時鐘頻率可以由程序控制。單片機使用外部較低的振蕩器，通過軟件控制，系統(tǒng)時鐘可以在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，得到比較高的總線時鐘。使用鎖相環(huán)會帶來額外的功耗。單就時鐘方案來講，使用外部晶振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗小的一種。有的單片機帶有內(nèi)部時鐘，也可使用外部時鐘。這可以根據(jù)實際系統(tǒng)的需要使用雙時鐘：一個高速時鐘和一個低速時鐘。處理事件時使用高速時鐘，空閑時使用低速時鐘。這鐘雙時鐘系統(tǒng)可以有效地降低功耗。

　　2.12應用軟件設計

　　應用軟件設計對于一個低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時也沒有一個嚴格的標準來判斷一個軟件的低功耗特性。盡管如此，設計者如果能盡量將應用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失。

　　*用“中斷”代替“查詢”。在沒有要求低功耗的場合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場合，這兩種方式相差甚遠。使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU不停地訪問I／0寄存器，這會帶來很多額外的功耗。

　　*用“宏”代替“子程序”。子程序調(diào)用的入棧出棧操作，要對RAM進行兩次操作，會帶來更大的功耗。宏在編譯時展開，CPU按順序執(zhí)行指令。使用宏，會增加程序的代碼量，但對不在乎程序代碼量大的應用，使用宏無疑會降低系統(tǒng)的功耗。

　　*盡量減少CPU的運算量。減少CPU的運算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運算的工作可以從很多方面入手：其一，用查表的方法替代實時的計算。其二，不可避免的實時計算，算到精度夠了就結束，避免“過度”的計算。其三，盡量使用短的數(shù)據(jù)類型，例如，盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分數(shù)運算而避免浮點數(shù)運算等。其四，讓I／O模塊間歇運行，即不用的I／O模塊或間歇使用的UO模塊要及時關掉，以節(jié)省電能；不用的I/O引腳要設置成輸出或設置成輸入，用上拉電阻拉高。

　　3、單片機（MCU）在低功耗方面的優(yōu)勢。

　　當今面臨的問題是，使用者或市場均對單片機（MCU）低功耗有嚴酷的要求，那么將如何來設計MCU來滿足市場？應該說，當今眾多廠商的MCU均有在低功耗面的優(yōu)勢，值此僅以Silabs MCU為例作分析說明MCU在低功耗方面的優(yōu)勢。

　　*供電電壓低。MCU供電電壓為2.0～5.25V。供電電壓低可以有效降低整個單片機系統(tǒng)的功耗。

　　*有多種低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。為了更進一步地降低MCU的功耗，提高市場競爭力，從2006年下半年己推出的MCU都將帶有Suspend模式。這種模式下的功耗為納安級。

　　*有多種時鐘方案供選擇。MCU內(nèi)置振蕩器有高速震蕩模式和低速震蕩模式可供選擇。每種模式下的頻率又有多種選擇。而且還可以外接振蕩器。更重要的是，在MCU運行中，這些時鐘模式可以實時切換。這很方便客戶進行低功耗控制。例如：在處理數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)運行在高速狀態(tài)；空閑時運行在低速狀態(tài)。

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