CN102681447B - 降低多管脚微控制器静态和动态功耗的方法及微控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低多管脚微控制器静态和动态功耗的方法，所述微控制器由电池供电，在所述微控制器的芯片内嵌入和存储用户程序的嵌入式非易失性存储器存储容量相等大小的静态随机存取存储器，在所述微控制器上电后，用直接存储器存取模块将所述嵌入式非易失性存储器的用户程序代码镜像到所述静态随机存取存储器上，再将所述嵌入式非易失性存储器的电源断开，然后将指向原先所述嵌入式非易失性存储器的程序指针映射到镜像后的静态随机存取存储器上，在所述静态随机存取存储器执行用户程序。本发明还公开了一种实现所述方法的微处理器。本发明能够有效降低由电池供电的微控制器的静态和动态功耗，延长电池使用寿命。

Description

降低多管脚微控制器静态和动态功耗的方法及微控制器
技术领域
本发明涉及微控制器领域，特别是涉及一种能够降低由电池供电的多管脚微控制器静态和动态功耗的方法。本发明还涉及一种实现所述方法的微控制器。
背景技术
目前，微控制器芯片在很多手持设备和测量表类领域被广泛使用，由于这些设备都是电池供电的，所以市场对于这类领域内的芯片在功耗方面都有很高的要求，尤其是对系统内的主控芯片，比如微控制器。
为了延长电池的使用寿命，要求微控制器有超低功耗的静态和动态电流。在静态模式下，微控制器芯片上几乎所有的电路都会停止工作，进入待机或者断电模式，只有少量的电路处于工作状态，比如实时日历，看门狗，液晶屏驱动电路等等。在这种模式下，一般要求微控制器整个的功耗在2μA左右。虽然在待机状态下有很多电路不工作，但由于工艺的本征特性，晶体管还是会有漏电流产生。对于电池供电的微控制器来说，这些漏电流就不能被忽略，因此就出现了很多片上电源关断技术，把不需要工作的电路的电源给关掉，从而实现零漏电流。对于已经关掉电源的电路，如果要把这些电路再唤醒，就需要花很长的时间，尤其对用户程序非易失性存储器来说，一般从上电到能够正常工作需要几百微秒的时间，而手持设备对于这个参数的要求一般是10微秒以下。因此，如果能在不关断用户程序存储区供电的情况下，实现超低静态低功耗，且能保证几微秒的唤醒时间，是一个非常大的挑战。
在动态模式下，微控制器芯片上的主要电路都会开始工作，比如微控制器核，用户程序存储区等等。在这种模式下，一般要求微控制器整个的功耗在300微安左右。片上嵌入式用户程序存储区一般是用嵌入式非易失性存储器实现的，比如Flash,32K字节的Flash在读状态下，功耗约为200μA/MHz，占了整个动态功耗指标的三分之二，如果能够降低这块的动态功耗，就能大大降低微控制器芯片的整个动态功耗。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种降低多管脚微控制器静态和动态功耗的方法，能够有效降低由电池供电的微控制器的静态和动态功耗，延长电池使用寿命；为此，本发明还要提供一种实现所述方法的微控制器。
为解决上述技术问题，本发明的降低多管脚微控制器静态和动态功耗的方法是，所述微控制器由电池供电，在所述微控制器的芯片内嵌入和存储用户程序的嵌入式非易失性存储器(NonVolatileMemory)存储容量相等大小的静态随机存取存储器(SRAM，StaticRandomAccessMemory)，在所述微控制器上电后，用直接存储器存取模块(DMA，DirectMemoryAccess)将所述嵌入式非易失性存储器的用户程序代码镜像到所述静态随机存取存储器上，再将所述嵌入式非易失性存储器的电源断开，最后将指向原先所述嵌入式非易失性存储器的程序指针(ProgramPointer)映射到镜像后的所述SRAM上，在所述SRAM执行用户程序。
所述微控制器，包括：
一电池，为微控制器供电；
一微控制器，具有多个管脚，在所述微控制器的芯片内嵌入和嵌入式非易失性存储器存储容量相等大小的静态随机存取存储器，在所述微控制器上电后，用直接存储器存取模块将所述嵌入式非易失性存储器的用户程序代码镜像到所述静态随机存取存储器上，再将所述嵌入式非易失性存储器的电源断开，最后将指向原先嵌入式非易失性存储器的程序指针映射到镜像后的所述SRAM上，在所述SRAM执行用户程序。
采用本发明的方法和微控制器，由于在相同工艺制程(Process)下，相同密度(Density)大小的SRAM静态功耗通常会比嵌入式非易失性存储器小5倍左右，动态功耗小1倍左右，因此可以大大降低微控制器的静态和动态功耗，使供电的电池使用寿命变长，大大地降低系统的应用成本。
所述多管脚的微控制器的裸片(Die)尺寸都是由管脚排列决定的，增加的SRAM(在64k字节以下)所占用的芯片的面积基本上不会增加整颗裸片的面积，因此在不增加芯片制造成本的基础上，使本发明的微控制器产品相对于其它同类电池供电的微控制器芯片更具优势。
目前，市场上的镜像SRAM都是用来当程序缓存器(Cache)用的，因为在高速系统中，嵌入式非易失性存储器访问速度不够快，会拖累整个系统的运行速度，而SRAM的访问速度非常快，所以把SRAM作为用户程序的镜像，可以实现高速访问的要求。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是实现微控制器超低静态和动态功耗的系统框图；
图2是断开芯片上嵌入式非易失性存储器电源结构示意图；
图3是程序指针镜像结构示意图；
图4是多管脚微控制器裸片示意图。
具体实施方式
本发明是利用SRAM相对于嵌入式非易失性存储器具有超低的静态和动态功耗特性，来实现由电池供电的微控制器的超低功耗性能。
所述微控制器是由电池供电，而不是由电网直接供电的，对静态和动态功耗指数有很苛刻的要求。所述微控制器带有64，或者80，或者100，甚至更高管脚数，因此所述微控制器的裸片外形尺寸是由管脚排列决定的，而不是由所述微控制器的内核(Core)电路面积决定的。
参见图1所示，在所述微控制器芯片上设有嵌入式非易失性存储器(如Flash)作为用户程序存储区；所述嵌入式非易失性存储器的供电电源能够被独立切断和打开。
在所述微控制器芯片上嵌入一个静态随机存取存储器(SRAM)，其存储容量的大小和所述嵌入式非易失性存储器一致。因为在相同工艺制程下，SRAM的静态功耗会比Flash的静态功耗小5倍以上；比如，在台积电(TSMC)180μmeFlashμLL(超低漏电流)工艺上，16K字节的SRAM静态功耗为200nA，16K字节的Flash静态功耗为1000nA。在和舰科技(HJTC)180μmeFlash工艺上，16K字节的SRAM静态功耗为1μA，16k字节的Flash静态功耗为10μA。当微控制器芯片处于静态模式时，所述嵌入式非易失性存储器电源被关断，从而保证了微控制器超低静态功耗的实现。在所述嵌入式非易失性存储器电源被切断的模式下，所述静态随机存取存储器的电源接通，作为用户程序镜像，保证了微控制器在静态模式下能够被快速(几微秒)唤醒到动态模式。
参见图3所示，所述微控制器具有程序指针重映射选择器，当微控制器上电时，程序指针重映射选择器将程序指针指向所述嵌入式非易失性存储器，当用户程序被镜像到所述静态随机存取存储器后，程序指针重映射选择器将程序指针重映射到静态随机存取存储器上。
在所述微控制器的芯片上设置一个直接存储器存取模块(DMA)，它的主要作用就是把存储在所述嵌入式非易失性存储器内的用户程序代码自动地，按一个字节一个字节的顺序镜像拷贝到静态随机存取存储器上。这个镜像的过程可以在所述微控制器上电初始化的时候由软件来配置DMA，然后由软件触发DMA自动的完成镜像操作。
当镜像操作结束后，将所述微控制器上设置的特殊功能寄存器(SFR)，的FlashPowerOff(Flash电源断开)位置成“1”；这样，就会将所述嵌入式非易失性存储器的电源切断，如图2所示。连接到FlashVDD上的电源正极被P型MOS场效应管隔断，连接到FlashVSS上的电源负极被N型MOS场效应管隔断，从而整个Flash进入掉电模式，静态功耗为零。
在微控制器上设置FlashPowerOff位的同时，程序指针被映射到SRAM上，如图3所示。程序指针被重定向之后，微控制器就开始在SRAM区域内执行镜像的用户程序，由于SRAM的动态功耗比Flash的动态功耗小一倍以上，所以在SRAM内执行用户程序可以实现超低动态功耗。比如在TSMC180μmeFlashμLL工艺上，16K字节的SRAM动态功耗为32μA，16K字节的eFlash动态功耗为130μA。
在静态模式下，SRAM静态功耗非常小，不用将电源断开，从而能够达到微控制器几μA的静态功耗要求。当微控制器从静态模式恢复到动态模式下，所用的时间也非常小，因为SRAM没有上电的过程，能够达到微控制器几微秒唤醒的苛刻指标。
参见图4所示，多管脚的微控制器芯片的裸片面积是由管脚排列决定的。比如图4为一个64管脚的微控制器，它的内部电路区域相对于管脚排列出来的区域，面积小很多，也就是所谓的PADConstraint(约束)。在这样的微控制器中加入一个镜像SRAM，并不会增大其本身的裸片面积，也就是不会增加微控制器制造的成本。
以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种降低多管脚微控制器静态和动态功耗的方法，其特征在于：所述微控制器由电池供电，在所述微控制器的芯片内嵌入和存储用户程序的嵌入式非易失性存储器存储容量相等大小的静态随机存取存储器，在所述微控制器上电后，用直接存储器存取模块将所述嵌入式非易失性存储器的用户程序代码镜像到所述静态随机存取存储器上，再将所述嵌入式非易失性存储器的电源断开，然后将指向原先所述嵌入式非易失性存储器的程序指针映射到镜像后的静态随机存取存储器上，在所述静态随机存取存储器执行用户程序。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微控制器具有程序指针重映射选择器，当微控制器上电时，程序指针重映射选择器将程序指针指向所述嵌入式非易失性存储器，当用户程序被镜像到所述静态随机存取存储器后，程序指针重映射选择器将程序指针重映射到静态随机存取存储器上。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述直接存储器存取模块将存储在所述嵌入式非易失性存储器内的用户程序代码自动地，按一个字节一个字节的顺序镜像拷贝到静态随机存取存储器上；该镜像的过程在所述微控制器上电初始化的时候由软件来配置直接存储器存取模块，然后由软件触发直接存储器存取模块自动的完成镜像操作。
4.如权利要求1或3所述的方法，其特征在于：当镜像操作结束后，将所述微控制器上设置的特殊功能寄存器的FlashPowerOff位置成“1”；这样，就会将所述嵌入式非易失性存储器的电源切断。
5.一种微控制器，其特征在于，包括：
一电池，为微控制器供电；
一微控制器，具有多个管脚，在所述微控制器的芯片内嵌入和嵌入式非易失性存储器存储容量相等大小的静态随机存取存储器，在所述微控制器上电后，用直接存储器存取模块将所述嵌入式非易失性存储器的用户程序代码镜像到所述静态随机存取存储器上，再将所述嵌入式非易失性存储器的电源断开，然后将指向原先嵌入式非易失性存储器的程序指针映射到镜像后的静态随机存取存储器上，在静态随机存取存储器执行用户程序。
6.如权利要求5所述的微控制器，其特征在于：所述微控制器具有程序指针重映射选择器，当微控制器上电时，程序指针重映射选择器将程序指针指向所述嵌入式非易失性存储器，当用户程序被镜像到所述静态随机存取存储器后，程序指针重映射选择器将程序指针重映射到静态随机存取存储器上。
7.如权利要求5所述的微控制器，其特征在于：所述直接存储器存取模块将存储在所述嵌入式非易失性存储器内的用户程序代码自动地，按一个字节一个字节的顺序镜像拷贝到静态随机存取存储器上；该镜像的过程在所述微控制器上电初始化的时候由软件来配置直接存储器存取模块，然后由软件触发直接存储器存取模块自动的完成镜像操作。
8.如权利要求5或7所述的微控制器，其特征在于：当镜像操作结束后，将所述微控制器上设置的特殊功能寄存器的FlashPowerOff位置成“1”；这样，就会将所述嵌入式非易失性存储器的电源切断。
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