專利名稱：降低多管腳微控制器靜態(tài)和動態(tài)功耗的方法及微處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微控制器領(lǐng)域，特別是涉及ー種能夠降低由電池供電的多管腳微控制器靜態(tài)和動態(tài)功耗的方法。本發(fā)明還涉及ー種實(shí)現(xiàn)所述方法的微處理器。
背景技術(shù)：
目前，微控制器芯片在很多手持設(shè)備和測量表類領(lǐng)域被廣泛使用，由于這些設(shè)備都是電池供電的，所以市場對于這類領(lǐng)域內(nèi)的芯片在功耗方面都有很高的要求，尤其是對系統(tǒng)內(nèi)的主控芯片，比如微控制器。為了延長電池的使用壽命，要求微控制器有超低功耗的靜態(tài)和動態(tài)電流。在靜態(tài)模式下，微控制器芯片上幾乎所有的電路都會停止工作，進(jìn)入待機(jī)或者斷電模式，只有少量 的電路處于工作狀態(tài)，比如實(shí)時(shí)日歷，看門狗，液晶屏驅(qū)動電路等等。在這種模式下，一般要求微控制器整個(gè)的功耗在2 μ A左右。雖然在待機(jī)狀態(tài)下有很多電路不工作，但由于エ藝的本征特性，晶體管還是會有漏電流產(chǎn)生。對于電池供電的微控制器來說，這些漏電流就不能被忽略，因此就出現(xiàn)了很多片上電源關(guān)斷技術(shù)，把不需要工作的電路的電源給關(guān)掉，從而實(shí)現(xiàn)零漏電流。對于已經(jīng)關(guān)掉電源的電路，如果要把這些電路再喚醒，就需要花很長的時(shí)間，尤其對用戶程序非易失性存儲器來說，一般從上電到能夠正常工作需要幾百微秒的時(shí)間，而手持設(shè)備對于這個(gè)參數(shù)的要求一般是10微秒以下。因此，如果能在不關(guān)斷用戶程序存儲區(qū)供電的情況下，實(shí)現(xiàn)超低靜態(tài)低功耗，且能保證幾微秒的喚醒時(shí)間，是ー個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。在動態(tài)模式下，微控制器芯片上的主要電路都會開始工作，比如微控制器核，用戶程序存儲區(qū)等等。在這種模式下，一般要求微控制器整個(gè)的功耗在300微安左右。片上嵌入式用戶程序存儲區(qū)一般是用嵌入式非易失性存儲器實(shí)現(xiàn)的，比如Flash，32Κ字節(jié)的Flash在讀狀態(tài)下，功耗約為200 μ A/MHz,占了整個(gè)動態(tài)功耗指標(biāo)的三分之ニ，如果能夠降低這塊的動態(tài)功耗，就能大大降低微控制器芯片的整個(gè)動態(tài)功耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種降低多管腳微控制器靜態(tài)和動態(tài)功耗的方法，能夠有效降低由電池供電的微控制器的靜態(tài)和動態(tài)功耗，延長電池使用壽命；為此，本發(fā)明還要提供ー種實(shí)現(xiàn)所述方法的微處理器。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的降低多管腳微控制器靜態(tài)和動態(tài)功耗的方法是，所述微控制器由電池供電，在所述微控制器的芯片內(nèi)嵌入和存儲用戶程序的嵌入式非易失性存儲器(Non Volatile Memory)存儲容量相等大小的靜態(tài)只讀存儲器(SRAM，StaticRead Access Memory)，在所述微控制器上電后，用直接存儲器存取模塊(DMA，DirectMemory Access)將所述嵌入式非易失性存儲器的用戶程序代碼鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器上，再將所述嵌入式非易失性存儲器的電源斷開，最后將指向原先所述嵌入式非易失性存儲器的程序指針(Program Pointer)映射到鏡像后的所述SRAM上，在所述SRAM執(zhí)行用戶程序。所述微處理器，包括一電池，為微處理器供電；一微處理器，具有多個(gè)管腳，在所述微控制器的芯片內(nèi)嵌入和嵌入式非易失性存儲器存儲容量相等大小的靜態(tài)只讀存儲器，在所述微控制器上電后，用直接存儲器存取模塊將所述嵌入式非易失性存儲器的用戶程序代碼鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器 上，再將所述嵌入式非易失性存儲器的電源斷開，最后將指向原先嵌入式非易失性存儲器的程序指針映射到鏡像后的所述SRAM上，在所述SRAM執(zhí)行用戶程序。
采用本發(fā)明的方法和微處理器，由于在相同エ藝制程(Process)下，相同密度(Density)大小的SRAM靜態(tài)功耗通常會比嵌入式非易失性存儲器小5倍左右，動態(tài)功耗小I倍左右，因此可以大大降低微控制器的靜態(tài)和動態(tài)功耗，使供電的電池使用壽命變長，大大地降低系統(tǒng)的應(yīng)用成本。所述多管腳的微控制器的裸片(Die)尺寸都是由管腳排列決定的，増加的SRAM(在64k字節(jié)以下)所占用的芯片的面積基本上不會增加整顆裸片的面積，因此在不增加芯片制造成本的基礎(chǔ)上，使本發(fā)明的微控制器產(chǎn)品相對于其它同類電池供電的微控制器芯片更具優(yōu)勢。目前，市場上的鏡像SRAM都是用來當(dāng)程序緩存器(Cache)用的，因?yàn)樵诟咚傧到y(tǒng)中，嵌入式非易失性存儲器訪問速度不夠快，會拖累整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行速度，而SRAM的訪問速度非?？欤园裇RAM作為用戶程序的鏡像，可以實(shí)現(xiàn)高速訪問的要求。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)的說明圖I是實(shí)現(xiàn)微控制器超低靜態(tài)和動態(tài)功耗的系統(tǒng)框圖；圖2是斷開芯片上嵌入式非易失性存儲器電源結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是程序指針鏡像結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是多管腳微控制器裸片示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是利用SRAM相對于嵌入式非易失性存儲器具有超低的靜態(tài)和動態(tài)功耗特性，來實(shí)現(xiàn)由電池供電的微控制器的超低功耗性能。所述微控制器是由電池供電，而不是由電網(wǎng)直接供電的，對靜態(tài)和動態(tài)功耗指數(shù)有很苛刻的要求。所述微控制器帶有64，或者80，或者100，甚至更高管腳數(shù)，因此所述微控制器的裸片外形尺寸是由管腳排列決定的，而不是由所述微控制器的內(nèi)核(Core)電路面積決定的。參見圖I所示，在所述微控制器芯片上設(shè)有嵌入式非易失性存儲器(如Flash)作為用戶程序存儲區(qū)；所述嵌入式非易失性存儲器的供電電源能夠被獨(dú)立切斷和打開。在所述微控制器芯片上嵌入一個(gè)靜態(tài)只讀存儲器(SRAM)，其存儲容量的大小和所述嵌入式非易失性存儲器一致。因?yàn)樵谙嗤ㄋ囍瞥滔?，SRAM的靜態(tài)功耗會比Flash的靜態(tài)功耗小5倍以上；比如，在臺積電(TSMC) 180 μ m eFlash μ LL(超低漏電流)エ藝上，16K字節(jié)的SRAM靜態(tài)功耗為200nA，16K字節(jié)的Flash靜態(tài)功耗為ΙΟΟΟηΑ。在和艦科技(HJTC) 180 μ m eFlashエ藝上，16K字節(jié)的SRAM靜態(tài)功耗為I μ A, 16k字節(jié)的Flash靜態(tài)功耗為10 μ A。當(dāng)微控制器芯片處于靜態(tài)模式時(shí)，所述嵌入式非易失性存儲器電源被關(guān)斷，從而保證了微控制器超低靜態(tài)功耗的實(shí)現(xiàn)。在所述嵌入式非易失性存儲器電源被切斷的模式下，所述靜態(tài)只讀存儲器的電源接通，作為用戶程序鏡像，保證了微控制器在靜態(tài)模式下能夠被快速(幾微秒)喚醒到動態(tài)模式。參見圖3所示，所述微控制器具有程序指針重映射選擇器，當(dāng)微控制器上電時(shí)，程序指針重映射選擇器將程序指針指向所述嵌入式非易失性存儲器，當(dāng)用戶程序被鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器后，程序指針重映射選擇器將程序指針重映射到靜態(tài)只讀存儲器上。在所述微控制器的芯片上設(shè)置ー個(gè)直接存儲器存取模塊(DMA)，它的主要作用就是把存儲在所述嵌入式非易失性存儲器內(nèi)的用戶程序代碼自動地，按ー個(gè)字節(jié)ー個(gè)字節(jié)的順序鏡像拷貝到靜態(tài)只讀存儲器上。這個(gè)鏡像的過程可以在所述微控制器上電初始化的時(shí)候由軟件來配置DMA，然后由軟件觸發(fā)DMA自動的完成鏡像操作。當(dāng)鏡像操作結(jié)束后，將所述微控制器上設(shè)置的特殊功能寄存器(SFR)，的FlashPower Off (Flash電源斷開)位置成“ I”;這樣，就會將所述嵌入式非易失性存儲器的電源切斷，如圖2所示。連接到Flash VDD上的電源正極被P型MOS場效應(yīng)管隔斷，連接到FlashVSS上的電源負(fù)極被N型MOS場效應(yīng)管隔斷，從而整個(gè)Flash進(jìn)入掉電模式，靜態(tài)功耗為零。在微控制器上設(shè)置Flash Power Off位的同時(shí)，程序指針被映射到SRAM上，如圖3所示。程序指針被重定向之后，微控制器就開始在SRAM區(qū)域內(nèi)執(zhí)行鏡像的用戶程序，由于SRAM的動態(tài)功耗比Flash的動態(tài)功耗小一倍以上，所以在SRAM內(nèi)執(zhí)行用戶程序可以實(shí)現(xiàn)超低動態(tài)功耗。比如在TSMC 180 μ meFlash μ LLエ藝上，16Κ字節(jié)的SRAM動態(tài)功耗為32 μ A, 16K字節(jié)的eFlash動態(tài)功耗為130 μ A。在靜態(tài)模式下，SRAM靜態(tài)功耗非常小，不用將電源斷開，從而能夠達(dá)到微控制器幾μ A的靜態(tài)功耗要求。當(dāng)微控制器從靜態(tài)模式恢復(fù)到動態(tài)模式下，所用的時(shí)間也非常小，因?yàn)镾RAM沒有上電的過程，能夠達(dá)到微控制器幾微秒喚醒的苛刻指標(biāo)。參見圖4所示，多管腳的微控制器芯片的裸片面積是由管腳排列決定的。比如圖4為ー個(gè)64管腳的微控制器，它的內(nèi)部電路區(qū)域相對于管腳排列出來的區(qū)域，面積小很多，也就是所謂的PAD Constraint (約束)。在這樣的微控制器中加入一個(gè)鏡像SRAM，并不會増大其本身的裸片面積，也就是不會増加微控制器制造的成本。以上通過具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的 限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種降低多管腳微控制器靜態(tài)和動態(tài)功耗的方法,其特征在于所述微控制器由電池供電，在所述微控制器的芯片內(nèi)嵌入和存儲用戶程序的嵌入式非易失性存儲器存儲容量相等大小的靜態(tài)只讀存儲器，在所述微控制器上電后，用直接存儲器存取模塊將所述嵌入式非易失性存儲器的用戶程序代碼鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器上，再將所述嵌入式非易失性存儲器的電源斷開，然后將指向原先所述嵌入式非易失性存儲器的程序指針映射到鏡像后的靜態(tài)只讀存儲器上，在所述靜態(tài)只讀存儲器執(zhí)行用戶程序。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述微控制器具有程序指針重映射選擇器，當(dāng)微控制器上電時(shí)，程序指針重映射選擇器將程序指針指向所述嵌入式非易失性存儲器，當(dāng)用戶程序被鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器后，程序指針重映射選擇器將程序指針重映射到靜態(tài)只讀存儲器上。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述直接存儲器存取模塊將存儲在所述嵌入式非易失性存儲器內(nèi)的用戶程序代碼自動地，按一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)的順序鏡像拷貝到靜態(tài)只讀存儲器上；該鏡像的過程在所述微控制器上電初始化的時(shí)候由軟件來配置直接存儲器存取模塊，然后由軟件觸發(fā)直接存儲器存取模塊自動的完成鏡像操作。
4.如權(quán)利要求I或3所述的微處理器，其特征在于當(dāng)鏡像操作結(jié)束后，將所述微控制器上設(shè)置的特殊功能寄存器的Flash Power Off位置成“I”;這樣，就會將所述嵌入式非易失性存儲器的電源切斷。
5.一種微處理器，其特征在于，包括 一電池，為微處理器供電； 一微處理器，具有多個(gè)管腳，在所述微控制器的芯片內(nèi)嵌入和嵌入式非易失性存儲器存儲容量相等大小的靜態(tài)只讀存儲器，在所述微控制器上電后，用直接存儲器存取模塊將所述嵌入式非易失性存儲器的用戶程序代碼鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器上，再將所述嵌入式非易失性存儲器的電源斷開，然后將指向原先嵌入式非易失性存儲器的程序指針映射到鏡像后的靜態(tài)只讀存儲器上，在靜態(tài)只讀存儲器執(zhí)行用戶程序。
6.如權(quán)利要求5所述的微處理器，其特征在于所述微控制器具有程序指針重映射選擇器，當(dāng)微控制器上電時(shí)，程序指針重映射選擇器將程序指針指向所述嵌入式非易失性存儲器，當(dāng)用戶程序被鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器后，程序指針重映射選擇器將程序指針重映射到靜態(tài)只讀存儲器上。
7.如權(quán)利要求5所述的微處理器，其特征在于所述直接存儲器存取模塊將存儲在所述嵌入式非易失性存儲器內(nèi)的用戶程序代碼自動地，按一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)的順序鏡像拷貝到靜態(tài)只讀存儲器上；該鏡像的過程在所述微控制器上電初始化的時(shí)候由軟件來配置直接存儲器存取模塊，然后由軟件觸發(fā)直接存儲器存取模塊自動的完成鏡像操作。
8.如權(quán)利要求5或7所述的微處理器，其特征在于當(dāng)鏡像操作結(jié)束后，將所述微控制器上設(shè)置的特殊功能寄存器的Flash Power Off位置成“I”;這樣，就會將所述嵌入式非易失性存儲器的電源切斷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種降低多管腳微控制器靜態(tài)和動態(tài)功耗的方法，所述微控制器由電池供電，在所述微控制器的芯片內(nèi)嵌入和存儲用戶程序的嵌入式非易失性存儲器存儲容量相等大小的靜態(tài)只讀存儲器，在所述微控制器上電后，用直接存儲器存取模塊將所述嵌入式非易失性存儲器的用戶程序代碼鏡像到所述靜態(tài)只讀存儲器上，再將所述嵌入式非易失性存儲器的電源斷開，然后將指向原先所述嵌入式非易失性存儲器的程序指針映射到鏡像后的靜態(tài)只讀存儲器上，在所述靜態(tài)只讀存儲器執(zhí)行用戶程序。本發(fā)明還公開了一種實(shí)現(xiàn)所述方法的微處理器。本發(fā)明能夠有效降低由電池供電的微控制器的靜態(tài)和動態(tài)功耗，延長電池使用壽命。
文檔編號G05B19/04GK102681447SQ20111006274
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者景蔚亮 申請人:上海華虹集成電路有限責(zé)任公司