從高度簡化的角度來看，物聯網 （IoT） 的結構由三個概念元素組成：邊緣節點、網關節點或集線器，以及云或數據中心。邊緣節點是物聯網中的“事物”。邊緣節點在互聯網或本地網絡的虛擬數字世界與真實模擬世界之間提供接口。根據應用程序，邊緣節點可以收集數據、接收數據或兩者兼而有之。如果它是一個收集器，邊緣節點通常從傳感器（或傳感器）獲取數據，處理數據，并將其傳輸到網絡。如果事物從網絡接收數據，它會處理數據并以某種方式驅動連接的傳感器。

邊緣節點的功能可以用四個特征來描述。一個特征是它用于將現實世界信息轉換為電信號的傳感器類型，反之亦然（例如，溫度、壓力、血液化學或腦電波）。表征邊緣節點的另一種方法是通過它用于連接傳感器和處理器或微控制器 （MCU） 的接口，例如使用 SPI/I2C、GPIO、PWM 或 ADC/DAC。邊緣節點的功能還通過使轉換器信息適應網絡所需的處理來描述，反之亦然（例如，加密、壓縮、糾錯、協議棧和數據分析）。最后，邊緣節點可以通過其通信機制和用于在事物和網絡之間發送或接收信息的協議來描述。

對邊緣節點進行分類

邊緣節點可以根據其應用領域或多或少任意分組。例如，家庭自動化包括用于控制或監控家庭或辦公室系統和設備的任何東西，例如照明或環境控制或電器（例如冷凍機、洗衣機、咖啡機、火警）。另一方面，“可穿戴”或“便攜式”是指在使用時穿戴或攜帶在人身上的任何東西。示例包括智能手表、智能眼鏡、心率監測器、計步器、GPS 跟蹤設備、血糖監測器、音樂或視頻播放器以及無線耳機或麥克風。還有健康、環境等類別，當然還有傳統的機器對機器 （M2M） 應用。類別之間有相當程度的重疊，

許多邊緣節點，尤其是在“可穿戴”領域，都是超低功耗 （ULP） 應用。這些應用程序的特點是由電池供電，活動時間短，偶爾會穿插長時間不活動，并且可能不經常進行人為干預。超低功耗突出了能源效率作為此類設備的關鍵性能標準，并規定了數周、數月、數年甚至數十年的電池壽命。

用于物聯網應用的 ULP MCU

現在您已經消化了本節子標題的所有首字母縮略詞，回想一下我們之前的討論，生活在邊緣的許多“事物”必須利用 ULP MCU 來處理用戶界面、收集和傳輸傳感器數據、提供安全功能以及管理其他任務。“事情”設計人員面臨的一個問題是確定這些 MCU 是否經過優化以滿足其應用的性能和效率要求，從而實現預期的較長電池壽命。

超低功耗對不同的應用意味著不同的東西。在某些情況下，當電源受到嚴格限制（例如，能量收集）時，需要最低有效電流?；蛘撸斚到y大部分時間處于待機或睡眠模式時，需要最低的睡眠電流，不經常（定期或異步）喚醒以處理某些任務。此外，ULP 還意味著高能效，因此大部分工作都在有限的時間內完成。總體而言，該應用程序將需要對上述所有內容進行組合或權衡。

有許多因素可以使 MCU 獲得 ULP 稱號。一個因素是通過 MCU 外設提供的智能類型和程度。例如，我們前面提到的 SPI、GPIO、PWM 和 ADC 等外圍設備，如果供應商設計正確，可以顯著幫助減輕 CPU 負載，從而使設備在睡眠模式下花費更多時間。還有一種趨勢是從 8 位和 16 位 CPU 轉向 32 位 CPU，以幫助更快地執行活動模式任務。任務執行得越快，消耗的能量就越少，因為由于靜態電流而浪費的能量與在活動模式下花費的時間成正比，而執行任務所花費的有用能量或多或少是一個恒定值。

有助于生產 ULP MCU 的其他因素包括物理 IP、低泄漏工藝節點和低功耗內存技術的選擇。由于較小的柵極電容和較低的工作電壓，使用較小的幾何形狀會降低有功功率，但會在時鐘停止時增加泄漏電流。出于這個原因，電源門控在較小的幾何形狀中變得更加重要。

同樣從芯片設計的角度來看，供應商可以實現各種形式的門控。只要有可能，時鐘門控就會自動關閉各種電路塊的時鐘信號。更有效的是電源門控，它會在可能的情況下關閉芯片內部模塊的電源。通過使用狀態保持電源門控 （SRPG） 可以實現更高的能源效率，從而關閉芯片內部大多數邏輯塊的電源，而數字電路的狀態保持在保持元件中。

影響能源效率的最大因素之一是使用低電源電壓。由于功率與電壓的平方成正比，從 3V 變為 1.5V 會使能量減少四倍，其他條件相同。即使電池電壓高得多，高效率降壓穩壓器也能做到這一點。將

lowgn ncy n與高效降壓穩壓器結合使用可減少

睡眠時的漏電流

物聯網設計師要注意數據表參數

雖然數據表參數對于進行系統設計的任何人來說通常都是準確且必不可少的，但在使用這些參數來分析和比較不同設備（包括 MCU 和幾乎所有其他設備）時必須小心。供應商在量化參數時傾向于使用不同的規格。例如，對于 MCU，執行功耗分析時應該使用什么工作負載？工作負載可能只是運行“while （1）”循環的幾行代碼，或者更真實的東西。

一些供應商正轉向使用 EEMBC CoreMark 基準作為功率和/或能量測量的標準工作負載。一般來說，CoreMark 對于低功耗 MCU 來說已經足夠了，但對于 ULP 來說，它會超出預期。在一項實驗中，CR2032-230 mAh / 90% 可用電池的使用壽命是通過以 16 MHz 和每秒 1 次迭代運行 CoreMark 計算得出的。在使用的 32 位 MCU 上，電池壽命達到 46-59 小時，而 MCU 的實時日歷功能將在 9-11 年之間運行 - 這代表了幾個數量級的差異。

但是，確定 ULP 能效所需的工作負載比 CoreMark 更小，此外，CoreMark 僅適用于活動模式電源，而沒有考慮到大多數 ULP 應用程序在處理器停止的情況下在空閑模式下花費大量時間這一事實。除了工作量確定之外，被測設備的條件和物理設置應該是什么？應該使用什么占空比來表示從活動狀態到低功耗狀態的轉換？時鐘源應該如何使用？工作負載應該從閃存還是 RAM 運行？輸入電壓是多少？所有這些細節都必須由所有供應商指定和使用，以允許系統設計人員進行蘋果對蘋果的比較。

為了事物和其他 ULP 應用程序的設計者的利益

為 ULP 設備供電的能效制定行業標準基準遠比直接的性能基準復雜得多。至少，必須回答上一段中的所有問題，但最大的挑戰是讓所有供應商就一致的方法達成一致。在來自 Analog Devices、ARM、Atmel、Cypress、Freescale、Microchip、Renesas、Silicon Labs、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments 的代表的辛勤工作和決心下，EEMBC 建立了 ULPBench，這是一個為測量能量提供一致方法的基準效率展示了有功功率和空閑（睡眠）功率狀態。

除了建立運行規則和操作環境外，該集團還意識??到，ULPBench 需要在 100 美元以下的價格范圍內推廣準確的能源測量工具。盡管 ULP 領域的大多數 MCU 供應商已將用于測量功率的專有工具集成到其評估/開發板中，但仍然沒有普遍認可的方法。為了滿足這一需求，EEMBC 生產了 EnergyMonitor，這是一種用于被測目標設備的 USB 供電電壓/電流源。它通過一個 100 mm 的 2 針接頭連接到目標設備，并且可以測量在 3V 高達 28 mA 上運行的任何東西的能耗。EnergyMonitor 的預期應用是測量 MCU 能耗，但它也可用于測量物聯網應用中使用的傳感器或其他組件的能耗。

MCU 供應商正在分階段創建 ULPBench。第 1 階段 - 稱為核心配置文件 - 側重于核心消耗的能量以及自動喚醒功能。第 2 階段和所有后續階段將專注于更多的系統集成，包括各種外圍設備的使用。使用 Core Profile，工作負載在每個占空比期間消耗 10，000-20，000 個 CPU 周期，具體取決于 MCU 架構的效率。該器件使用低功耗定時器每秒喚醒 MCU 一次以執行工作負載（如圖 2 中的階梯效應所示）。

量化數據表編號

ULPBench 絕對是朝著在數據表中指定能量值的一致規則邁出的正確方向邁出的一步。用戶仍然必須仔細查看確切的細節。例如，應用程序的占空比（在活動模式下花費的時間長度與在空閑模式下花費的時間）必須與 ULPBench 進行比較。如果應用程序經?；蜷L時間喚醒，則活動模式能量將占主導地位，相反，如果應用程序不頻繁且短暫地喚醒，則空閑模式能量將占主導地位。在這種情況下，ULPBench 分數可能會產生誤導，因為它試圖在活動模式和空閑模式能量之間取得平衡。

此外，用戶應查看啟用了哪種低功耗模式（這將是最低能量狀態與轉換到活動模式所需的延遲或時間之間的平衡）。由于在測試的活動模式期間消耗了很大一部分能量，因此最好使用為獲得最高性能（最小化活動周期）而編譯的工作負載代碼。理想情況下，將顯示多個編譯器和編譯選項的結果。

審核編輯：郭婷