讓設計節省電力

換電池、充電，換電池、充電，我有時感覺自己在不停地給耗盡電量的個人電子裝置充電，以便恢復使用。但就算我不時留意電量，我的健身穿戴式裝置或藍牙耳機還是時常在運動時沒電，更別提智慧型手機在最重要時刻沒電等類似窘境。

由少數個人電子裝置的使用體驗推及到採用數以千計電池供電式裝置的物聯網 (IoT) 應用，我們不難推想，光是繁重的電池維護負擔就會讓這些應用面臨崩潰。而這些大規模的 IoT 網路和個人裝置若想從「常開式」感測器立即取得資料，就會讓電量問題加劇。幸好，隨著矽晶片製造商講究微控制器能效，並將一些處理負擔從主處理器上轉移出去，高耗電電子裝置已鮮少陷入這種窘境。

以進階技術強化傳統的電源管理

對於微控制器型系統，傳統的觀念大多著重在主處理器的工作週期上，這是因為小型嵌入式系統中大部分的電力，通常都是由主處理器所消耗。過去一直以來設計人員都在指導下儘量減少主處理器處於最高功耗活動狀態的時間。現在轉而設計功率受限型系統，讓處理器盡可能處於省電的睡眠模式中。若是需要定期從感測器收集資料的應用，開發人員會讓處理器進入睡眠，並使用周邊裝置中斷來喚醒處理器，讓處理器有足夠的時間收集和處理資料，然後再回到睡眠狀態。

更複雜的晶片上周邊裝置已經問世，能讓開發人員延長處理器處於睡眠狀態的時間。微控制器每會例行性整合類比數位轉換器 (ADC) 等周邊裝置，如此一來，完全無需喚醒主處理器，就可即可收集感測器資料。半導體製造商進一步拓展此概念，打造出更先進的微控制器架構，提供介於全活動和全睡眠之間的中間功率模式。在這些裝置中，中間功率模式能針對處理器核心、晶片上記憶體、類比周邊裝置和數位周邊裝置，選擇性啟用各種不同的電源域。

進階型處理器系列 (例如 Maxim Integrated 的 Darwin 微控制器) 更將此方法提升到新的境界，能在不影響應用功能和效能需求下，利用一系列專門設計的機制來降低功耗 (請參閱《打造更高效的智慧型裝置：第 1 篇 – 採用 MCU 和 PMIC 的低功率設計》)。因此，開發人員能在功率與效能之間達到更細微的平衡，符合吃緊的功率預算。

周邊裝置專用處理器

為了將周邊裝置功能從核心處理部分獨立出來，更先進的微控器會透過專用的處理器增強周邊裝置子系統。以 Maxim Integrated 的 Darwin 系列為例，此系列與同級許多元件一樣，都含有周邊裝置管理單元 (PMU)，除了普遍支援直接記憶體存取 (DMA) 作業之外，還加入循環排程和其他更先進的功能。

目前一些最能有效降低功率和增強效能的方法，就是採用這種將處理能力擴散至處理器核心外的作法。加密硬體加速器就是這種趨勢的明顯範例之一；大多數專為 IoT 或其他連線型應用所設計的進階微控制器，均內建此加速器。透過加快演算法的執行速度，專用加速器能讓元件更快返回低功率狀態。

此趨勢還有一個更有趣的範例，就是 Texas Instruments 的 SimpleLink 系列等無線微控制器。例如，Texas Instruments 的 CC2640R2F 低功耗藍牙 (BLE) 無線微控制器就結合 Arm® Cortex®-M3 主處理器和專用的 BLE 子系統，其中含有專用的 Arm Cortex-M0 處理器及無線射頻 (RF) 收發器 (圖 1)。

圖 1：Texas Instruments 的 CC2640R2F BLE 等進階無線微控制器，會在 Arm Cortex-M3 主處理器睡眠期間，使用節能的 Arm Cortex-M0 處理器核心來保持無線連線，進而達到最佳化功耗。(圖片來源：Texas Instruments)

在主處理器執行應用期間，開發人員無法使用 Cortex-M0 處理器，處理器此時僅可執行 BLE 協定堆疊。由於節能的 Cortex-M0 核心能在主處理器處於睡眠模式時，繼續以低功率運作，因此微控制器可常保連線，不會對吃緊的功率預算帶來過多負擔。

當然，除了「常開」功能外，連線能力還有其他的需求。感測應用越來越多樣化，使用者希望元件能對溫度、移動、空氣品質和其他特徵的變化即時進行回應。若使用傳統方法，此「常開」功能能在收集和檢查重要事件的資料時，強制微控制器持續 (或幾乎持續) 以活動模式運作。

許多進階感測器能讓開發人員對觸發中斷行為的最小和最大閾值進行編程，如此即可讓微控制器一直處於睡眠模式，直到發生超出閾值的事件。但是在某些應用中，具備這種閾值能力依舊不夠。舉例來說，「常開式」動作感測器可能需要在測得的加速值或方位中識別出特徵變化或模式，以便判定使用者是在行走、跑步、爬樓梯、轉向，或是進行其他活動。即使是具備閾值能力的進階感測器，主機微控制器也需要維持作用狀態，才能辨識這些特徵變化。STMicroelectronics 的 LSM6DSOX 感測器模組則能透過內建的有限狀態機和決策樹處理引擎來辨識相關模式。

對開發人員來說，除了使用自主式周邊裝置作業、專用處理引擎，以及本機感測器處理等功能之外，還有其他許多方法也有助於為電池供電式設計節省電力。

參考資料：

打造更高效的智慧型裝置：第 1 篇 – 採用 MCU 和 PMIC 的低功率設計 - https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2018/oct/build-more-effective-smart-devices-part-1-low-power-design-mcus-pmics