聽起來有點不可思議，在單節CR2032紐扣電池供電條件下運行長達11個月!并且性能還遠超過其他同類設備，也就意味著Echo并不是通過犧牲性能而換取超低功耗。莫非是能量不守恒了?當然不是!Silicon Labs(芯科實驗室有限公司)在中國的核心代理商世強產品經理Steven Zhang向我們揭開了極長電池續航背后的秘密。
EFM32——全球最高能效32位Cortex-M MCU是幕后英雄
“基于ARM Cortex-M3內核的32位Giant Gecko MCU在運動手表Echo的能效方面扮演著極其關鍵的角色。通過優化Giant Gecko MCU的五種不同能耗模式以及利用MCU的低功耗傳感器接口(LESENSE)和外設反射系統(PRS)實現他們的超低功耗目標。這些特性使得節能且自治的外設可以在沒有CPU參與的情況下處理定時和傳感器控制。” Steven解釋道。
Giant Gecko MCU屬于Silicon Labs的壁虎系列，在超低功耗MCU的陣營中，小壁虎的名頭可是響當當的。不過，大家有沒有思考過，類似這樣的一個電子產品，為什么叫了一個小動物的名字?
EFM32為什么叫小壁虎
圖1. EFM32為什么叫小壁虎?
原來，在自然界中，壁虎的能量消耗僅為和它同樣大小的哺乳動物的10%。而與現今市場上排在前10位的其他低功耗微控制器的性能比較后證明，EFM32 微控制器消耗的能量僅為其他同類8-bit、16-bit 或32-bit 微控制器的四分之一。這等同于使典型的3V紐扣電池的壽命延長了至少300%或者說是7年?？傊?，EFM32 MCU就像這可愛的小壁虎一樣，在微控制器領域，堪稱省電的王者。
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低功耗等于高能效嗎?
為了實現高能效的目標，EFM32打破了微控制器的設計慣例，采用了截然不同的設計方式。
“目前業界有太多的號稱業界最低功耗的MCU，但是EFM32并沒有強調低功耗，而是主打最高能效的概念，這是因為低功耗并不等于高能效，而我們的最終目的是要實現超長電池續航，高能效才是實現這一最終目標的關鍵。” Steven指出。
功耗和能耗是兩個截然不同的概念，功耗只是表征某一個時間點的瞬間電流的大小，而能耗等于功耗和時間的乘積，如下圖2所示。一個系統是否省電，就要看它的整體能耗是否足夠低。
功耗和能耗的關系
圖2. 功耗和能耗的關系。
工作模式功耗，待機模式功耗，占空比是決定MCU能效的三個關鍵參數。 一個系統的總能耗等于工作模式能耗和待機模式能耗的和。實際應用中，待機模式的能耗都會遠遠低于工作模式的能耗，而一般的MCU，在這兩種模式下的能耗，基本上是固定的，而為了省電，我們最常采用的方法，就是在保證產品正常功能的前提下，盡量縮短工作模式的占空比。那么，有沒有更好的方法呢?
如下圖3所示，這里有四種顏色的框，分別代表四個不同的MCU在執行同一段功能程序時的功耗情況。從圖中可以看到，綠色框表示的MCU所代表的工作曲線很特別，不僅在睡眠模式的功耗更低，執行速度和喚醒時間更快，特別是在工作模式下的功耗還多次出現大幅度的降低，而其他三個MCU在工作模式的整個過程都是一個平行的曲線，功耗基本上是固定的，從整體能耗來看，綠色的MCU很明顯比其他3個MCU更省電。這就是綠色框表示的EFM32所能夠帶來的高能效的結果。
四個不同的MCU在執行同一段功能程序時的工作曲線
圖3. 四個不同的MCU在執行同一段功能程序時的工作曲線
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EFM32高能效的10 個因素
Silicon Labs 節能型 EFM32 32位微控制器優于現有的低功耗 MCU ——在此，我們著重強調實現這一性能的 10 個因素。如下圖4所示，這10個因素包括：1.極低的工作模式功耗;2.減少處理時間;3.快速喚醒時間;4.超低待機電流;5.外設自主操作;6.PRS——外圍反射系統;7.設計良好的能耗模式;8.節能外圍設備;9.LESENSE——低功耗傳感器接口;10.Simplicity Studio 和高級能耗監控模塊。
32 位微控制器EFM32的 10 大技術特點
圖4. 32 位微控制器EFM32的 10 大技術特點。
“在這10個因素中，PRS是EFM32非常有特色的外圍反射系統。無需使用 CPU，微控制器中的外圍反射系統即可直接將一個外圍設備與另一個外圍設備連接。在 CPU 處于睡眠狀態時，外圍設備可通過此系統產生觸發信號，其他與之對應的外圍設備可接受此信號并立即對此做出反應。” Steven指出。
設計良好的能耗模式也是EFM32在高能效上的一大創新。如下圖5所示為EFM32的內部結構。如圖中右上角所示，有表示“0、1、2、3、4”五種不同顏色的環，它們分別代表EFM32的5種能量模式，不同顏色下有對應的功能模塊可以被使用，并且模式的覆蓋率可以向下兼容。比如在EM2模式下，只有圖中淺藍色，深藍色，黑色的環可以被使用，而EM4模式下，只有黑色圈的可以被使用。
EFM32內部架構
圖5. EFM32內部架構
EFM32 微控制器的這 5 個節能模式，為系統設計者提供設計靈活性以優化應用，從而獲得最高的性能和最長的電池壽命。
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世強提供EFM32產品支持，助力物聯網應用
32位的EFM32擊敗現有的MCU成為世界上最為節能的微控制器，其設計的初衷就是節能省電，主要針對電池供電的產品應用，比如智能表計、智能家居、安防系統、醫療保健，以及便攜手持系統如RFID等，尤其是對電池供電的年限要求苛刻的應用，例如要求至少3年，5年甚至10年電池不可更換。
EFM32的市場應用
圖6. EFM32的市場應用。
Silicon Labs在2013年收購了Energy Micro公司，這對Silicon Labs來說，是具有里程碑的意義的。這項收購大幅擴展了Silicon Labs的單片機系列產品，并增加了將近250種采用ARM的EFM32 Gecko單片機產品。而作為Silicon Labs的核心代理商世強，自然也受益于此次收購，增強了其在超低功耗MCU產品上的實力。
世強提供豐富的EFM32產品選擇和技術支持
圖7. 世強提供豐富的EFM32產品選擇和技術支持。
如上圖7所示為EFM32 MCU的Roadmap，按內核分為3大類：M0+、M3、M4。其中以M3的系列最為豐富，從低端到高端有4個系列，包括：Tiny，Gecko，Leopard，Giant。高端還可以支持TFT和USB功能，最大flash可以支持1Mb。最小封裝有QFN24。
“從M0+到M4，所有型號的EFM32 MCU都是軟件兼容的，不同型號之間，相同后綴名可以pin-to-pin兼容，所以對于后續平臺的升級非常方便。” Steven最后還強調，“世強將為您提供EFM32產品選擇和相關技術支持，可以完全解除您的后顧之憂，助您一臂之力。”
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