可穿戴设备、便携设备、追踪器、RFID、支付Ukey、仪器仪表等需要高性能、低功耗、小体积的场合。这类应用通常都是低占空比的应用场合，也就是说设备在一天24小时内的绝大多数时间是不工作的或者只需要保持在计时状态，进入工作状态的方式是通过定时唤醒或者外界信号唤醒，唤醒后的一般动作是读取系统状态、处理并保存数据、一些算法处理、然后进入待机或不工作状态。

业界针对此类应用通常的选择办法有以下几种。一，选择一颗功耗较低的8位机或者16位机。诚然，8位机或者16位机成本确实很低，但是性能往往不能满足需求，因为对于这类应用而言，唤醒后的工作时间越短越利于降低功耗，而32位机相较于8位机和16位机而言，相同主频下代码执行效率大大提高，可以在功耗不明显增加的情况下大大缩短唤醒后的工作时间；并且通常8位机的尺寸都没法做到32位机可以做到的小尺寸。二，选择一颗超低功耗的32位MCU。高性能、小尺寸可以满足，但是因为即使是超低功耗的MCU，待机功耗还是μA级，整体算下来功耗还是不能做到极致低。

结合以上两种设计的不足，笔者设计一种基于GD32F130G8U6和外置超低功耗RTC(AM1815)的解决方案，整体待机功耗可低至14nA，可以完美解决以上问题，

图1亚阈值功率优化技术原理

具体实现方法如下。

1方案说明

通过使用兆易创新(g i g a d e v i c e)的高性能32位MCU GD32F130G8U6和Ambiq Micro的超低功耗RTC AM1815来代替单颗低功耗MCU的方案。待机状态下，MCU完全shutdown，只有RTC工作，保持计时以及保存重要备份数据；工作状态下，MCU被RTC唤醒，执行程序，工作执行完毕给RTC发sleep指令，控制RTC关闭MCU电源。RTC唤醒MCU的方式可以是IO口电平变化边沿触发，也可以是定时触发。该方案相对于单芯片方案的主要优势有以下几点。高性能GD32F130G6U6主要特性：ARM Cortex-M3内核；

最大时钟频率72Hz，内核访问闪存高速零等待；单周期乘法器和硬件除法器；NVIC中断嵌套支持16个中断，每个中断有16个优先级；

64K flash、8K SRAM；高性能模拟外设，1个12bit的ADC，支持10路通道，最快转换时间1us；多种外设接口，2个USART，2个SPI(18Mbit/s)，2个I2C(400Kbit/s)；片上1个高级定时器，1个系统定时器，最大支持6个通用定时器，1个DMA；

图2 AM1815典型应用电路图

支持上电复位(P O R)，掉电复位(P D R)和低压检测(LVD)；28pin封装，23个可用IO；内部高速时钟(8MHz)和内部低速时钟(40kHz)。超低功耗：工作状态：MCU运行功耗245μA/MHz，RTC 14nA；待机状态：MCU功耗0，RTC 14nA。待机状态下该系

统的待机功耗仅为14nA，即使是市面上在低功耗上做得最好的MCU厂家(比如Energy Micro)，其生产的MCU的待机功耗也要比以上系

统至少高一个数量级以上。当系统长时间处于待机状态的时候，该系统在低功耗上极具优势。

2 AM1815实现超低功耗原理

Ambiq Micro是一家专注于研发生产低功耗芯片产品的美国公司，其产品采用先进的SPOT技术（亚阈值功率优化技术），SPOT技术上世纪由物理学家发现，2004年开始由

美国密西根大学研究，经过六年发展，2010年正式应用到产品里面，SPOT技术重新定义了超低功率半导体的含义，为芯片建立了新的标准，从而使得功耗做得更低。SPOT平台采用在亚阈值电压(低于0.5V)下运行的晶体管，而不是使用一直在1.8V下保持开启的晶体管。

小尺寸GD32F130G8U6封装可以做到4mm*4mm，AM1815封装尺寸3mm*3mm。采用GD130+AM1815可以有效减小PCB设计尺寸。

低成本GD130属于cortex-M3核的超值型MCU，价格甚至低于一些M0核的MCU和8位机。而AM1815虽然可以做到极致低功耗，但本身还是一颗RTC，价格也不贵。笔者曾经对比过GD130+AM1815两颗加起来的价格，甚至低于很多主打超低功耗的M3核和M0核的MCU。

3  硬件参考设计

     如图2，AM1815进入sleep模式的方式为MCU通过SPI 接口设置AM1815的sleep相关寄存器的值以使其进入sleep模 式，当AM1815进入sleep模式后，会将PSW/nIRQ2引脚电 平由低变为高，而AM1815的PSW/nIRQ2引脚接到MCU的 VSS，当其电平由低变高时，MCU从上电变为断电状态。 AM1815从sleep模式唤醒的方式为其EXTI引脚接收到一个上 升沿或者下降沿脉冲，这样PSW/nIRQ2引脚电平就会从高 变为低，从而MCU从断电变为上电状态。通过以上这种方 式，以AM1815的进入低功耗和唤醒来控制MCU的断电和上 电。

AM1815和GD32F130的引脚连接如表1。

4  软件参考设计 MCU通过SPI接口读写AM1815寄存器时序图如图3。 由AM1815的datasheet中SPI读写时序图大概可知，MCU

读AM1815寄存器的过程，首先要发送一个需要读取的寄存 器地址addr，其中addr的第7位为0表示读，然后把MCU通过 SPI接收到的AM1815返回的第一个字节丢掉，从第二个字节

图3   SPI读写过程

开始顺序接收到的数据就是读取的数据。MCU写AM1815的过程类似，首先发送需要写入的寄存器地址addr，其中addr 的第7位为1表示写，然后依次将需要写入的字节写入，不用 管AM1815返回的数据。参 考 A M 1 8 1 5 d a t a s h e e t 中 S P I 接 口 读 写 过 程 ， 在 GD32F130端开发SPI接口函数读写AM1815寄存器相关代码 如下：

MCU通过SPI读AM1815寄存器代码

void mcu_spi_read(uint8_t num_bytes, uint8_t addr, uint8_t

*data)

{

uint8_t i,temp; addr=addr & 0x7F; ASSERT_SPI_CE;

while((SPI1->STR&SPI_FLAG_TBE)==RESET);

//等待发送区空

SPI1->DTR=addr;    //发送一个byte while((SPI1->STR&SPI_FLAG_RBNE)==RESET);    //等

待接收完一个byte temp= SPI1->DTR;

for (i = 0; i < num_bytes; i++)

{

while((SPI1->STR&SPI_FLAG_TBE)==RESET); SPI1->DTR = 0;

// Write data is a don't care.

while((SPI1->STR&SPI_FLAG_RBNE)==RESET);

data[i] = SPI1->DTR;

} DEASSERT_SPI_CE;

} MCU通过SPI写AM1815寄存器代码

void mcu_spi_write(uint8_t num_bytes, uint8_t addr, uint8_

t *data)

{

uint8_t i,temp; addr=addr | 0x80; ASSERT_SPI_CE;

while((SPI1->STR&SPI_FLAG_TBE)==RESET);

//等待发送区空

SPI1->DTR=addr;    //发送一个byte while((SPI1->STR&SPI_FLAG_RBNE)==RESET);  //等

待接收完一个byte

temp=    SPI1->DTR;

for (i = 0; i < num_bytes; i++)

{

while((SPI1->STR&SPI_FLAG_TBE)==RESET); SPI1->DTR = data[i];    // Write data is a don't care. while((SPI1->STR&SPI_FLAG_RBNE)==RESET); temp = SPI1->DTR;

} DEASSERT_SPI_CE;

} GD130控制AM1815进入sleep过程 选择GD130的一个普通的GPIO口(例如PB7)作为控制

引 脚 ， 当 检 测 到 P B 7 上 有 一 个 下 降 沿 时 ， 通 过 S P I 接 口 向 AM1815的sleep寄存器写值则会控制AM1815进入sleep模式。 参考datasheet，相关代码如下：

if(!GPIO_ReadInputBit(GPIOB,GPIO_PIN_7))

{

/*先将Control1寄存器的STOP位清0，否则第二次无法

进入sleep，将ARST和PWR2位置1*/

temp_stop=readreg(0x10);

writereg(0x10, (temp_stop&&0x7F)|0x06);

temp_stop= readreg(0x10);

/*将IntMask寄存器的EX1E位置1，使能外部触发中断，

以唤醒AM1815*/

temp1= readreg(0x12); writereg(0x12, temp1|0x01); temp1= readreg(0x12); if(readreg(0x12)==0xE1)

{

/*读Status寄存器，清EX1位，将Sleep_Control寄存器的

SLP位置1，进入sleep模式*/

temp_state=readreg(0x0F); temp_sleep=readreg(0x17); writereg(0x17, temp_sleep|0x80); temp_sleep= readreg(0x17);

}

}

5 AM1815被唤醒以及唤醒MCU启动过程

A M1815可以通过外部信号唤醒， 上升沿和下降沿均 可，也可以通过设置RTC定时自动唤醒。当AM1815的EXTI 引脚接收到一个外部触发信号，PSW引脚会由高变到低，从 而控制MCU上电启动。因篇幅所限，该部分代码就不再贴 出来了。

【相关新闻】GigaDevice推出GD32F130/150系列超值型MCU

界领先的半导体供应商GigaDevice (兆易创新)为进一步扩大包含106款产品的GD32系列通用微控制器的选择范围，宣布推出全新的基于ARM Cortex-M3内核的超值型GD32F130和GD32F150系列微控制器。新产品延续了更高性能与更优价格相结合的设计理念与价值核心，通过整合增强的实时控制能力与创新的外设资源配置，着眼于超低开发预算需求，更适合成本敏感型嵌入式应用。同时也延续了GD32产品平台相互兼容的软硬件生态，易于实现代码移植和扩展升级，可以有效提升用户的研发效率，缩短设计周期。全新发布的18款GD32系列超值型MCU能够以更为经济的价格实现复杂和先进的功能，并为提升及取代传统的8位和16位产品解决方案，进入32位Cortex-M3内核的高速主流平台带来超值的入门使用体验。

GD32F130/150系列超值型MCU最高时钟频率为72MHz，配备16KB到64KB的内置Flash及4KB到8KB的SRAM，内核访问闪存高速零等待，在最高主频下的工作性能可达74DMIPS，同主频下的代码执行效率相比市场同类Cortex-M3产品提高20%，相比Cortex-M0+产品提高35%。采用2.6V-3.6V电源，I/O口可承受5V电平。具有高级电源管理功能并针对节能便携等低功耗应用场合提供了三种省电模式，在外部电池供电情况下，内嵌日历型高精度实时时钟(RTC)运行时的待机电流仅为4.3uA。支持三相PWM互补输出和死区管理功能的16位高级定时器可用于矢量控制，还拥有多达5个16位通用定时器、1个16位基本定时器、1个32位通用定时器和5通道DMA控制器，可用作主时钟的8MHz内置RC振荡器出厂校准精度为±1%。全面升级的模拟外设包括1个转换时间为1us的16通道12位高速ADC、1个12位DAC、2个高速轨到轨输入/输出模拟电压比较器和1个预校准的温度传感器，可充分满足多通道高速数据采集和控制要求。GD32F150/130系列也配备了丰富的外设接口资源，包括1个USB2.0全速、2个USART、2个SPI、2个快速I2C、1个I2S，针对家庭多媒体设备新增了支持HDMI接口的消费电子控制(CEC)总线硬件电路，还针对按键、滑动等触控应用集成了触摸感测接口(TSI)，最多可同时连接18个外部电极。多达80%的可用GPIO具有多种可选功能还支持端口重映射，极佳的灵活性和易用性满足多种应用需求。

GD32F130/150系列超值型MCU在遵循行业安全标准的同时全面增强了使用安全性。存储器保护单元(MPU)、时钟安全系统(CSS)和双看门狗设计能够确保软件代码及数据正确执行，内置的实时SRAM硬件奇偶校验功能及循环冗余校验(CRC)功能可检查数据传输及存储的完整性，芯片还具备唯一标识及专利加密存储功能，可为片上数据安全提供双重保障。

GD32系列超值型MCU产品为成本敏感的入门级应用提供了高效能的处理能力，其丰富的接口功能及应用安全性，让开发人员能够有效提高系统集成度并降低投入，更可深入挖掘项目潜力。充分适用于工业自动化、人机界面、电机控制、家用电器、打印机、多媒体播放器及电子玩具、USB转UART、智能读卡器、电动车等多种应用场合。GigaDevice还为全新的超值型MCU配备了成套开发工具，包括全功能评估板GD32150R-EVAL和GD32130C-START入门套件，另外还提供了可同时支持多个串口的烧录软件。

　　融合了高性能，低成本与易用性的18款GD32F130/150系列超值型MCU从经济型少引脚封装到便于手焊的常规表贴封装齐备，采用TSSOP20、QFN28、QFN32、LQFP48、LQFP64等多种封装形式，现已开始接受样片订购，并将于今年第二季度正式量产。批量订货的最 低 价仅为0.32美元，是目前业界极具性价比优势的Cortex-M3 MCU产品。

兆易GD32 MCU终端产品

作为NOR Flash的一种——SPI NOR Flash的设计相对简单，而且制造成本较低，正在不断夺取并行NOR Flash的市场份额。SPI NOR Flash对于低端手机尤其具有吸引力。低端手机较为在意成本，并不断试图降低材料成本。

当前世界中，有三家供应商凭借SPI NOR Flash在消费应用领域中取得了成功，兆易位列其一，另外两家是台湾的旺宏和华邦，这三家公司合计占有SPI NOR Flash出货量80%以上。

自2005年4月成立以来，兆易创新凭借卓越的创新精神，成为全球SPI NOR Flash领域世界领先供应商之一。2014年7月，兆易创新官方微博传出消息，由兆易创新设计，武汉新芯集成电路制造公司生产制造的闪存晶圆累计出货量——突破10万片。兆易创新董事长兼总裁朱一明表示，超过10万片的出货量是一个十分有意义的里程碑，衡量一段合作关系的关键标准就是其所带来的业务量。

2013年，兆易创新又陆续推出了国内首款基于ARM Contex-M3内核的32位通用MCU产品，以及全球首创的8-pin封装的SPI NAND Flash产品。

MCU领域的竞争日益激烈已是不争的事实，尤其是低端的8位市场。随着嵌入式智能的兴起，32位MCU因能支持操作系统、可以快速移植而备受关注，出货量快速攀升，数据显示，2013年基于ARM架构的32位MCU出货量超过40亿颗！但这也意味着，兆易创新初步入MCU领域便选择了三星、ST等科技巨头作为对手。

但兆易创新表示，无惧竞争！其杀手锏就是——NOR Flash技术，该公司在这个领域占据国内第一。“凭借在NOR Flash方面的积累，我们可以大大提升MCU的性价比。”兆易创新北京总部产品经理金光一指出，“例如我们的MCU片上闪存容量最大可达3072KB，属于业界领先，我们还有gFlash®专利闪存技术，片上Flash可重复擦写100000次,保存数据超过20年，我们可以有效提高系统集成度并降低PCB成本。”

金光一特别指出兆易创新的MCU有一种Flash访问为零等待周期技术，它将高速的内核和自身gFlash专利技术结合起来，实现了内核对Flash访问的零等待。

根据Dhrystones和CoreMark测试结果，GD32的代码执行效率比市场同类产品提高30%-40%。另外，还针对节能和电池供电等应用场合进行了优化，GD32提供了三种省电模式，同主频下的工作电流比市场同类产品降低20-30%，最高主频下的全速运行功耗仅为1.05mW/MHz。

目前，GigaDevice GD32 系列Cortex-M3内核32位通用MCU家族目前拥有GD32F103增强型、GD32F101基本型、GD32F105和GD32F107互联型、GD32F130和GD32F150超值型等6大产品系列，共计8种封装类型，124个产品型号。

在8月初的2014年度工业计算机及嵌入式系统展上，兆易创新首次展出了多款采用GD32系列32位MCU的终端产品：热敏式微型打印机、LED户外显示屏以及金属压力膜触控按键等。

此次展出的GD32第三方合作伙伴格致微芯开发的热敏式微型打印机方案具有广阔的市场应用空间。58mm热敏式微型打印机采用了GD32F103CBT6作为系统控制的核心器件。高性能108MHz主频支持DMA高速串口通讯，GPIO 速度快，并可用IO 来实现串行时序往打印头送数据，从而提高了工作效率，走纸长度可达70mm/s。可广泛用于便利店、超市等支付票据打印。80mm热敏式微打则采用了LQFP64封装的GD32F103RET6，走纸长度可达200mm/s，大容量缓存支持二维码生成和打印，可用于餐饮、彩票、交通运输等行业。MCU还控制马达切刀实现打印纸的半切和全切，并控制机头传感器实现卡纸的上电自动复位功能。该方案已经被多个终端客户采用并实现量产。

58mm和80mm热敏式微型打印机GD32 MCU解决方案。

基于GD32F105系列USB OTG互联型MCU的LED户外显示屏也是此次展台的亮点。GD32系列Cortex-M3 MCU更高的处理速度和代码执行效率可以有效的提高屏幕刷新率，增强的USB OTG FS接口可以支持Device/HOST/OTG三种模式，适用于U盘接口的显示数据更新，方便高效并具备极高的性价比。GigaDevice产品经理金光一在接受媒体采访时介绍，GD32 MCU用于点阵式LED显示屏已经成熟量产并经过市场检验，在户外应用的高低温及湿度变化条件下工作稳定可靠。

采用GD32 MCU的LED户外显示屏方案设计

支持全金属面板的最新压力膜触控按键方案引得现场观众纷纷驻足。传统的机械按键寿命仅有10万至百万次，安装时还需要打孔。当前常见的电容触摸按键是检测手指的电容感应的塑料薄膜按键，对人体及表面洁净度有要求。而压力膜触控按键可基于整块铝合金面板及钢板设计，仅需100克的压力就能触发，手指及硬物均可操作且防尘防油防水渍，寿命更可达到5千万次以上。方案采用了GD32F103 系列大容量MCU控制压力感应并连接三段压力回馈马达、LED指示和蜂鸣器等多个板级外设，高性能提高了触摸辨识度，高集成度也丰富了触控的用户体验。广泛适用于厨卫家电、抽油烟机、电梯及ATM等人机界面操作。此方案更在2014年美国CES消费电子展会上获奖。

基于GD32 MCU的最新压力膜触控按键方案

MCU是个细分市场，市场总量很大，但客户非常分散，这和手机平板市场不同。相对于欧美大厂而言，兆易的性价比自然毋庸置疑。最初在产品市场调研中兆易发现，很多中小客户都曾抱怨欧美大厂对其支持力度不够。此外，国外厂商动辄1-3个月甚至更长的交货期，兆易的交货期最长不超过3周。综合来看，兆易更受国内中小客户的青睐，中小客户这一细分市场也是兆易所看重的。目前，32位MCU所涉及的厂商并不多，市场容量也足够大，兆易创面临的最大挑战是如何加强GD32 MCU产品的品牌认知度。