[发明专利]一种超低功耗且高性能的微处理器及其运行方法

说明书

技术领域

本发明涉及微处理器领域，尤其涉及一种超低功耗且高性能的微处理器及其运行方法。

背景技术

嵌入式微处理器(MCU)是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。根据微处理器的应用领域，微处理器大致可以分为三类：通用高性能微处理器、嵌入式微处理器和数字信号处理器、微控制器，其应用范围极其广阔，从最初的4位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位、64位嵌入式MCU。目前仍在大规模应用的8位MCU产品的工艺节点一般会停留在较为成熟的、非最先进的工艺节点上，比如说0.13μm、0.18μm等工艺节点，而且在这些工艺节点上，芯片面积也不是其主要考虑的问题。这些8位MCU产品的主要特征是功耗很低，特别是待机功耗很低，因此适合于低功耗的应用，但是其最佳性能不高，无法满足越来越多的嵌入式应用对微处理器性能的要求，因此为了满足嵌入式应用对微处理器性能的要求，高位宽的微处理器就诞生了，比如32位的微处理器。随着高位宽微处理器技术的成熟，越来越多的应用开始从低位宽的微处理器向高位宽微处理器上移植。

高位宽的微处理器一般实现在先进的工艺节点上，比如说40nm等先进工艺节点，在这些工艺节点上，为了控制产品的成本，微处理器的面积是一个要考虑的问题，而且在这些先进的工艺节点上，由于模拟电路的面积不会随着工艺节点变小而巨幅缩小，因此会进一步增大微处理器的面积及成本。这些高位宽的微处理器的性能很高，处理嵌入式应用的速度要快于低位宽的微处理器，因此高位宽微处理器的动态功耗要小于低位宽的微处理器，但是这些实现在先进工艺节点的高位宽微处理器的漏电流较大，所以高位宽的微处理器的静态功耗要远远大于低位宽的微处理器，特别是待机功耗很大，因此低功耗对于高位宽的微处理器是一个巨大的挑战，特别是应用于物联网设备和可穿戴设备中的微处理器，如果在先进工艺节点上高位宽的处理器要实现超低功耗，必须采用动态电压频率调节(DynamicVoltageandFrequencyScaling，简称DVFS)技术，也就是说需要增加动态电压频率调节(DVFS)模块，因此会增加芯片面积从而使芯片成本增大。因而，低功耗和高性能往往不可兼得。而目前大多数的嵌入式应用都是基于低位宽的微处理器开发的，如果现在全部向高位宽的微处理器移植，移植过程比较复杂，需要消耗大量的时间，从而造成产品的上市时间的延迟。

在这里我们以8位微处理器和32位微处理器为例来进行说明。假设对于某一特定客户的某一特定应用来说，基于8位MCU开发的应用程序为App8_1，App8_1移植到32位MCU上的应用程序为App32_1，应用程序App8_1和App32_1实现的功能完全相同。我们统计一定时间内8位微处理器处理应用程序App8_1和32位微处理器处理应用程序App32_1的功耗，下面我们分两种情况进行分析：

(1)二者在某一段时间范围内的处理应用程序的功耗对比如图1所示。可以看出，用32位MCU处理应用程序App32_1的速度明显快于用8位MCU处理应用程序App8_1的速度，32位的MCU的最佳性能要显著优于8位MCU的最佳性能，而8位MCU的优势体现在极低的静态功耗，特别是两次执行应用程序的间隔时间较长时(比如应用于物联网领域的应用程序)，8位MCU的待机功耗要远小于32位MCU的待机功耗，所以这段时间内8位MCU消耗的总能量E₈要低于32位MCU消耗的总能量E₃₂，即E₈<E₃₂。因此，对低功耗要求比较高的客户应用来说，采取8位MCU更适用。在这里我们定义在一定时间T(T>0)内，如果应用程序X8在8位MCU上执行所消耗的总能量小于应用程序X32在32位MCU上执行所消耗的总能量，那么我们就说该应用程序适合运行在8位的MCU上，其中应用程序X8移植到32位MCU上的应用程序为X32，也就是说应用程序X8和应用程序X32实现相同的功能；