可穿戴設計中微控制器外圍裝置和整合儲存器的選擇

　　新一代的可穿戴技術正在由高度整合的片上系統(SOC)設計來實現。ARM和MIPS的最新32位微控制器核心提供高效能，支援新的作業系統，如Android磨損和增加各種外圍裝置以支援新的顯示器、互動式介面和感測器應用。

　　移動到32位核心允許高階開發工具不僅用於使用者應用，而且還用於整個設計的管理，特別是外圍裝置的電源管理。能夠實現複雜的演算法，以優化功耗是至關重要的，以獲得最佳的電池壽命，這是緊密耦合的外圍裝置在系統晶片上的裝置在心臟的可穿戴設計。

　　從矽實驗室看壁虎EFM32 TG842的影象

　　圖1：Silicon Labs的壁虎EFM32 TG842直接通過外圍裝置設計可穿戴設計。

　　處理器核心架構的選擇通常取決於系統架構師和設計團隊的經驗，以及戰略公司關係。有許多設計師擅長在ARM和MIPS平臺上開發，使用高階C開發工具和與每個不同的矽供應商一起使用的外圍管理工具。

　　諸如矽實驗室的小壁虎EFM32 TG842與中央臂CORTEX-M3處理器核心(如圖1所示)的裝置直接瞄準具有小尺寸和低功耗的可穿戴設計，還針對這樣的應用優化了一系列外圍裝置。飛思卡爾半導體還擁有基於KL16系列ARM CORTEX-M0+裝置的一系列片上系統裝置，這是其可穿戴式開發平臺的一部分。

　　類似地，來自Microchip技術的PIC32 MX340F512H-80I/PT SOC使用MIPS M4K核心，執行在80 MHz(圖2)。

　　雖然核心速度是相關的，但它並不能說明整個故事。許多外圍裝置可以獨立於核心執行，提供比標題時鐘速率所暗示的更多效能。這允許電流消耗保持低，並且有外圍管理塊，允許資料傳輸在沒有任何CPU干預的情況下被處理。還有一個更廣泛範圍的通用I/O引腳，引腳輸出的選擇很大程度上取決於內部外圍裝置的選擇和設計的選擇特徵。

　　微晶片PIC32 MX340F512H-80I/PT的影象

　　圖2：微晶片PIC32 MX340F512H-80I/PT執行在80 MHz，外設範圍很廣。

　　也有廣泛的記憶體選項。用快速SRAM和片上DRAM來儲存和更新程式碼所需的快閃記憶體需要執行，這在很大程度上取決於應用，但也可能受到晶片上系統的選擇的影響。外圍管理系統和整合感測器介面可以減少中央CPU的程式碼要求，減少對記憶體佔用的需求。緊湊的指令集和編譯器也可以減少記憶體需求，但這是由於對硬體平臺沒有優化的標準庫的使用日益增加。因此，選擇合適的外圍裝置來在功率、記憶體和系統成本限制內提供應用程式是非常重要的。

　　能源管理

　　能量管理單元用於控制不同的外圍裝置和儲存器塊，允許在CPU控制下關閉未使用的塊。小壁虎的五種模式(圖3)允許快速、慢速和非同步外設關閉，以節省電力，然後移動到休眠模式和“停止”模式，以節省更多。電壓源比較器也用於從軟體監控電源電壓來管理功耗。當電源低於或超過可程式設計閾值時，可以產生中斷。響應時間和電流消耗可以通過改變對比較器的電流供應來配置。

　　小壁虎五種模式的意象

　　圖3：小壁虎中的五種模式允許在可穿戴設計中優化外圍功耗。

　　SOC還包括外圍反射系統(PRS)，它允許不同的外圍模組彼此直接通訊而不涉及CPU。發出反射訊號的外圍模組稱為生產者，PRS矩陣根據接收到的資料將這些反射訊號路由到外圍裝置。這有助於通過減少中央CPU上的負載來減少功耗，允許它處理其他任務，如果不需要則關閉。

　　感測器

　　可穿戴設計的關鍵應用之一是整合和管理一系列感測器。無論是對血壓或心率的健康監測、運動效能測量或接近本地環境資料的感測器，與感測器的介面變得越來越重要。小壁虎新增低能量感測器介面(LSESENS)外圍裝置是一個高度可配置的感測器介面，支援多達八個可單獨配置的感測器。通過控制模擬比較器和DAC，LSESENSE能夠支援寬範圍的感測器和測量方案，並且可以例如測量LC感測器、電阻感測器和電容感測器。

　　LeSENSE還包括一個可程式設計的FSM，它能夠簡單地處理測量結果，而不需要CPU干預，節省功率，並允許CPU集中精力於其他活動。LeSENSE在能量模式EM2中可用，除了EM0和EM1之外，使其在具有嚴格的能量預算的應用中，例如可穿戴設計中用於感測器監測是理想的。

　　如果設計者想要更具體地使用外設，那麼有一個塊可以用來連線到各種型別的感測器。逐次逼近暫存器(SAR)模數轉換器具有每秒高達12個位元的解析度，用於從多個模擬感測器獲取資料，因為整合輸入多路複用器可以從八個外部引腳和六個內部訊號中選擇輸入。

　　為了提供資料輸出，12位數模轉換器(DAC)可以將數字值轉換為模擬輸出電壓，用於刺激感測器或控制外部外圍裝置，例如小揚聲器。這有一個單端輸出緩衝器連線到通道0。

　　如果電流輸出不足，EFM32 TG842也有三個運算放大器(運算放大器)。這些有軌到軌差分輸入和軌到軌單端輸出，並且輸入可以被設定為引腳、DAC或另一個運算放大器。輸出可以是一個引腳，另一個運算放大器或ADC。電流是可程式設計的，運算放大器具有各種內部配置，例如單位增益或使用內部電阻器的可程式設計增益。

　　繪圖

　　圖形是可穿戴設計的一個日益重要的元素。雖然有一個關於控制這種系統的最佳方法的爭論，從語音到電容觸控式螢幕，顯示技術已經降低了功率和成本，以實現控制介面的新方法。

　　例如，小壁虎整合了一個LCD驅動器，能夠驅動多達8x18段的分段LCD顯示器。電壓升壓功能使其能夠提供比器件的電源電壓更高的LCD顯示器。此外，動畫特性可以在沒有任何CPU干預的情況下在LCD顯示器上執行自定義動畫。LCD驅動器也可以保持活躍，即使在能量模式2，並提供幀計數器中斷，可以喚醒裝置定期更新資料。

　　現在，新的Android Wear作業系統支援更廣泛的顯示器，這影響了微控制器中外圍裝置的選擇，以支援更高解析度的顯示器。螢幕的記憶體要求和重新整理率都會影響可穿戴設計的尺寸、成本和功耗。這些問題可以用單獨的圖形處理器來處理，但是這增加了設計的複雜性、成本和功率，並且許多螢幕控制被整合到設計的核心SoC中。

　　支援低功耗、單色E-LNK顯示器的能力正在演變為對可穿戴設計尤其是手錶的多種顏色和更高的幀重新整理率的需求。

　　例如，想象技術開發了一種新的PoPvR圖形處理器IP核，它提供了業界最小的Android相容GPU圖形解決方案。在28奈米矽中，只有0.55毫米的足跡，執行在250 MHz，PosivVR系列5XE GX5300核心具有完整的OpenGL ES 2能力，超低功耗，以及想象力先進的PVRTC紋理壓縮技術。雖然想象力正在推動MIPS生態系統圍繞新的核心，如MyPaTIV，PosivVR GPU也可以與其他處理器核一起使用。

　　新的GX5300核心建立在以前的系列5裝置上，在效率上有實質性的提高，為入門級可穿戴裝置和其他小型足跡嵌入式應用提供低功耗解決方案。GX5300使用基於POWER VR可程式設計著色器的基於平鋪的延遲渲染(TBDR)架構，從而導致高效能效率和每幀的最低功耗。與PVRTC紋理壓縮技術相結合，具有更高的影象質量的最小記憶體佔用，可以顯著減少顯示器的儲存器需求。

　　想象為開發者提供了免費訪問PosivVR圖形SDK，一個跨平臺的工具包，旨在支援三維圖形應用開發的各個方面。

　　通用輸入/輸出(GPIO)

　　並不是所有可穿戴設計的外圍裝置都可以包含在晶片中，所以通用I/O引腳(GPIO)是重要的。這個與外界的介面也是電源的主要消耗者，所以能夠小心地控制這些引腳是很重要的。作為一個例子，小壁虎有五十三個GPIO引腳分為埠多達十六個引腳。這些引腳可以單獨配置為輸出或輸入。更先進的配置，如開式排水，過濾和驅動強度也可以單獨配置的引腳。GPIO引腳也可以被外圍引腳連線覆蓋，如定時器PWM輸出或USAT通訊，它可以路由到裝置上的幾個位置。GPIO支援多達十六個非同步外部引腳中斷，這使得中斷從任何引腳上的裝置。此外，引腳的輸入值可以通過外圍反射系統路由到其他外圍裝置。

　　加密

　　越來越需要保持系統安全和安全，甚至是可穿戴的。最新的SoC裝置新增低功耗加密塊以與無線鏈路一起使用，以保護通常傳送給雲的資料。這些塊支援128位或256位金鑰的AES加密和解密，它們採取不同數量的處理週期，從而消耗不同數量的功率。AES模組通常是匯流排的從屬，例如AHB，這使得能夠有效地訪問32位資料和金鑰暫存器。

　　結論

　　可穿戴設計代表了片上系統設計的前沿，其中大多數外設整合到單件矽中以減小尺寸和功耗。這些外圍裝置的選擇和管理，直接和通過最新的32位作業系統，對終端設計的整體效能，特別是電池壽命產生了顯著的差異。