KRC2/VKRC2 00-106-290

KRC2/VKRC2 00-106-290

目前FPGA的应用主要是三个方向：

　　第一个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类 应用通常要求采用具备高速收发接口的FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMCEMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。FPGA初以及到目前广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式， 另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。

　　第二个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在2006年就听说老美将 FPGA用于金融数据分析，后来又见到有将FPGA用于医学数据分析的案例。在这一方向要求FPGA设计者有的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码以及图像信号处理等领域，其它领域的研究正在开展中，之所以没有大量实用的主要原因还是因为学金融的、学医学的不了解这玩意。不过近发现欧美有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理，相信随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会的发挥出来，而我也有意做一些这些方面的研究。不过国 内学金融的、学医的恐怕连数学都很少用到，就不用说用FPGA来帮助他们完成数学运算了，这个问题只有再议了。

　　第三个方向就是所谓的SOPC方向，其实 严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。设计对于FPGA本身的设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计的接口电路则需要用到第一个方向的知识。就目前SOPC方向发展其实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在 FPGA内部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看， 多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以 ARM 为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。即使目前Xilinx将ARM的硬核加入 到FPGA里面，相信目前的情况不会有太大改观，不要忘了很多老掉牙的8位单片机还在嵌入式领域混呢，嵌入式主要不是靠硬件的差异而更多的是靠软件的差异来体现价值的。

　　我曾经看好的是cypress的Psoc这一想法。和SOPC系列不同，Psoc的思想史载SOC芯片里面去嵌入那么一小块 FPGA，那这 样其实可以满足嵌入式的那些微小的硬件接口差异，比如某个运用需要4个USB，而通常的处理器不会提供那么多，就可以用这么一块FPGA来提供多的USB 接口。而另一种运用需要6个UART，也可以用同样的方法完成。对于嵌入式设计公司来说他们只需要备货一种芯片，就可以满足这些设计中各种微小的差异变化 要的差异化仍然是通过软件来完成。但目前cypress过于封闭，如果其采用ARM作为处理器内核，借助其完整的工具链。同时开放IP合作，让大量的第三方为它提供IP设计，其实是很有希望的。但目前cypress的日子怕不太好过，Psoc的思想也不知道何时能够发光。便携式设备对处理器提出的挑战

　　随着电子便携式设备在的风行，人们对电子便携式设备的要求也越来越高，希望产品有更多的功能，如手机摄像机自动对焦与手机闪信与计步器；希望产品功耗更低，如无线设备、手持POS机和家庭医疗产品；希望产品体积更小，如运动手表；希望产品的保密性好；处理能力强，如便携式仪器和运动控制；希望价格更低和开发周期短。

　　然而困惑的是，很多的便携式设备往往会同时要有上面的多个要求，然而现实中很难做到：同时满足高速处理、低功耗和价格？ARM高速，但是功耗而价格高；同时满足高速处理和小封装？希望封装面积小到3×3mm，又要不牺牲速度；同时满足小封装和SOC？需要ADC、SPI和12个I/O，而尺寸，好小于5×5mm；开发周期，ARM性能完全合适，但ARM往往需要操作系统支持，开发周期长，而市场机遇稍纵即逝。

　　为此，本文将从为电子便携式设备开发解决上述这些难题出发，对如何设计一个低功耗的单片机系统与方法和MCU在低功耗方面的优势进行分析，并小尺寸系列单片机的应用为例作出介绍。

　　2、如何设计一个低功耗的单片机系统

　　问题提出：单片机系统的功耗是否只是由单片机的功耗决定？回答是，以单片机为核心构成的系统，其系统的总能耗是由单片机能耗及其外围电路能耗共同构成。为了降低整个系统的功耗，除了要降低单片机自身的运行功耗外，还要降低外围电路的功耗。

　　2.1如何设计低功耗单片机系统？

　　要设计一个低功耗的单片机系统，需要从硬件和软件两方面入手。

　　2.11硬件设计

　　*选用尽量简单的CPU内核。在选择CPU内核时切忌一味追求性能。选择的原则应 该是“够用就好”。8位机够用，就没有必要选用16位机。一般来说，单片机的运行速度越快，功耗也越大。一个复杂的CPU集成度高、功能强，但片内晶体管多，总漏电流大，即使进入STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而简单的CPU内核不仅功耗低，成本也低。

　　*选用低电压供电的系统。低电压供电可以大大降低系统的工作电流。目前单片机从与TTL兼容的5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供电，降低单片机的供电电压可以有效降低其功耗。供电电压降低也是未来单片机发展的一个重要趋势。

　　*选择带有低功耗模式的系统。低功耗模式指的是系统的Idel（闲置）、Stop（停止）和Suspen（暂停）模式。处于这类模式下的单片机功耗将大大小于运行模式下的功耗。

　　*选择合适的时钟方案。时钟的选择对于系统功耗相当敏感，有两方面的问题要注意：

　　其一、系统总线频率应当尽量低。单片机内部的总电流消耗分为：运行电流和漏电流。单片机集成度越高，环境温度越高，漏电流也越大。单片机的运行电流几乎和其时钟频率成正比。降低时钟频率，就可以有效降低单片机的功耗。

　　其二、关于时钟方案。是否使用锁相环，使用内部振荡器还是外部振荡器。现代单片机普遍使用锁相环技术，使单片机的时钟频率可以由程序控制。单片机使用外部较低的振荡器，通过软件控制，系统时钟可以在一个很宽的范围内调整，得到比较高的总线时钟。使用锁相环会带来额外的功耗。单就时钟方案来讲，使用外部晶振且不使用锁相环是功率消耗小的一种。有的单片机带有内部时钟，也可使用外部时钟。这可以根据实际系统的需要使用双时钟：一个高速时钟和一个低速时钟。处理事件时使用高速时钟，空闲时使用低速时钟。这钟双时钟系统可以有效地降低功耗。

　　2.12应用软件设计

　　应用软件设计对于一个低功耗系统的重要性常常被人们忽略。一个重要的原因是，软件上的缺陷并不像硬件那样容易发现，同时也没有一个严格的标准来判断一个软件的低功耗特性。尽管如此，设计者如果能尽量将应用的低功耗特性反映在软件中，就可以避免那些“看不见”的功耗损失。

　　*用“中断”代替“查询”。在没有要求低功耗的场合，程序使用中断方式还是查询方式并不重要。但在要求低功耗场合，这两种方式相差甚远。使用中断方式，CPU可以什么都不做，甚至可以进入等待模式或停止模式；而查询方式下，CPU不停地访问I／0寄存器，这会带来很多额外的功耗。

　　*用“宏”代替“子程序”。子程序调用的入栈出栈操作，要对RAM进行两次操作，会带来更大的功耗。宏在编译时展开，CPU按顺序执行指令。使用宏，会增加程序的代码量，但对不在乎程序代码量大的应用，使用宏无疑会降低系统的功耗。

　　*尽量减少CPU的运算量。减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。减少CPU运算的工作可以从很多方面入手：其一，用查表的方法替代实时的计算。其二，不可避免的实时计算，算到精度够了就结束，避免“过度”的计算。其三，尽量使用短的数据类型，例如，尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据，尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。其四，让I／O模块间歇运行，即不用的I／O模块或间歇使用的UO模块要及时关掉，以节省电能；不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入，用上拉电阻拉高。

　　3、单片机（MCU）在低功耗方面的优势。

　　当今面临的问题是，使用者或市场均对单片机（MCU）低功耗有严酷的要求，那么将如何来设计MCU来满足市场？应该说，当今众多厂商的MCU均有在低功耗面的优势，值此仅以Silabs MCU为例作分析说明MCU在低功耗方面的优势。

　　*供电电压低。MCU供电电压为2.0～5.25V。供电电压低可以有效降低整个单片机系统的功耗。

　　*有多种低功耗模式。MCU的低功耗模式有Idle模式和Stop模式。为了更进一步地降低MCU的功耗，提高市场竞争力，从2006年下半年己推出的MCU都将带有Suspend模式。这种模式下的功耗为纳安级。

　　*有多种时钟方案供选择。MCU内置振荡器有高速震荡模式和低速震荡模式可供选择。每种模式下的频率又有多种选择。而且还可以外接振荡器。更重要的是，在MCU运行中，这些时钟模式可以实时切换。这很方便客户进行低功耗控制。例如：在处理数据时，系统运行在高速状态；空闲时运行在低速状态。

BOC EDWARDS EXT 250M TURBO VACUUM PUMP FOR PARTS REPAIR

Edwards 12 Two Stage Vacuum Pump

ROTARY VANE VACUUM PUMP EDWARDS E2M40

Edwards EXT 70H 24V Vacuum Pump - No spin

BOC EDWARDS iQDP80/QMB250

Edwards RV5 w/ RV-5 Rotary Vane Vacuum Pump

EDWARDS ODOR ELEMENT VACUUM PUMP FILTER A223-04-077

Edwards 200/200H V24 TurboMolecular Vacuum Pump

Edwards Dry Vacuum Pump iQDP80 rebuilt

Edwards EDM 12 Vacuum Pump

ROOTS VACUUM PUMP EDWARDS EH 1200 - REFURBISHED

Edwards iQDP80 Vacuum Pump QMB250 Blower Rebuilt

Edwards EH250 Vacuum Pump Blowe

(3710-60) Edwards RV# HP Vacuum Pump

EDWARDS 18 EM Series E2M18 Vacuum pump

Edwards RV# HP Vacuum Pump

BOC Edwards QDP40 QDP 40 Drystar Dry Vacuum Pump

Edwards EH-500 Vacuum Pump Blowe

BOC EDWARDS CONTINUITY MODULE D37245000 VACUUM

Edwards EXT255H Turbomolecular Vacuum Pump 220.0 LPS

Edwards E100L IPUP Dry Vacuum Pump: Tested Good

BOC Edwards QDP40 Dry Vacuum Pump rebuilt

Edwards EXT70 Turbomolecular Vacuum Pump 65.0 LPS

NEW EDWARDS HIGH VACUUM MF30 OUTLET MIST FILTER N493

Edwards Diffstak 63MM Diffusion Vacuum Pump with water

Edwards EH-250 Vacuum Pump Blower EH250 Rebuilt:yrwrnty

K67974 Edwards QDP80 Vacuum Pump Q Controller

Edwards EXT250 Turbomolecular Vacuum Pump 220.0 LPS

EDWARDS EH2600 ROOTS VACUUM PUMP PN: A307-51-946

Edwards QMB-500 Vacuum Blower

EDWARDS EH500 ROOTS VACUUM PUMP

Edwards Vacuum EPX 180L Dry Pump 400V, 6 month Warranty

Edwards iQDP40 Dry Vacuum Pump QMB250 Blower

Edwards QMB1200 Roots Blower Vacuum Pump 980.0 CFM

BOC EDWARDS VACUUM PUMP RV8

Edwards SpeedVac ED 660 Vacuum Pump

Edwards EH250 Vacuum Pump Booster / Blower 220 CFM

Edwards QMB500F Roots Blower Vacuum Pump 355.0 CFM

Edwards QDP80 / QMB500 Vacuum Pump

Edwards QMB-250 Vacuum Pump Blower

Dry Vacuum Pump DP40/EH250 Edwards

Edwards iGX600 Dry Vacuum Pump Refurbished Unused

Edwards iGX600N Dry Vacuum Pump Refurbished Unused

VWR E2M8 Edwards 8 Two Stage Vacuum Pump

BOC EDWARDS XDS 10 VACUUM PUMP

Edwards iQDP40 Dry Vacuum Pump QMB250 Blower

Edwards QDP40 Dry Vacuum Pump

Edwards E2M 18 Two Stage Vacuum Pump