延長電池使用壽命是智能手表的首要開發考量。為達成此一目標，設計人員須選用在工作/動態模式下功耗較低，且能同時維持高性能運作的微控制器（MCU），并導入快速喚醒功能，以便讓MCU盡可能處于休眠或閑置模式，進一步降低系統總體功耗。

　　圖1 智能手表將是未來的潮流。

　　所謂的智能手表該如何定義呢？基本上，智能手表是設計成手表外型、可戴式的運算裝置，當和智慧型手機無線連結時，可提供更多的智慧型功能。一般常見的功能包括了日歷通知、電子郵件或簡訊提示。若是同時還內建感應器，如加速度計或溫度感測器等，智能手表就能夠幫助記錄與監控使用者的運動進度、表現和心跳率等。有些手表還能控制音樂、讀取簡訊，甚至能透過使用者手機的藍牙低功耗（Low Energy， LE）連結，直接透過手表接聽電話。

　　那么，對智能手表的開發人員而言，什么是關鍵的設計考量？在產品設計過程中，很容易會不自覺地想加進更多、更強大的功能。不過性能強大的手表應用程式，通常得搭配相對強大的處理器，而強大的處理器卻往往很耗電，導致具有加分效果的性能提升，就這樣被功耗抵銷掉。畢竟，就算其功能再強大，誰會愿意買一個每隔幾個小時就要充電一次的智能手表？

　　為了要延長電池的使用時間，最好的辦法就是在考慮系統的心臟，也就是中央微控制器（MCU）時，選擇在工作/動態模式下功耗較低的元件。

　　在系統設計上（圖2），必須讓智能手表的中央微控制器，能夠在大部分時間維持在睡眠模式，而當系統必須被喚醒來執行任務時，能夠不影響系統表現，并在最短的時間內被喚醒。

　　圖2 智能手表結構圖

　　工作/動態模式下維持低功耗

　　當然，設計人員希望能在不犧牲性能的前提下具有最低功耗的工作模式，然而如果只是一味降低在工作/動態模式下的功耗，也會因此降低了微控制器的運算速度，導致微控制器將花費更多時間處于工作模式，才能把任務執行完成并進入功耗更低的睡眠模式，最終反而會增加系統的平均功耗。另外大家都知道，系統的操作電壓越低，越能延長電池的壽命。有些微控制器宣稱工作電壓可低至1.8伏特（V），但實際上，當其工作電壓在1.8V時，不僅運算速度降低，同時某些周邊功能可能無法正常運作，這些都不是真的能幫助系統降低功耗的技術。

　　目前市場上已有業者推出能在低功耗的情形下維持高性能運作的微控制器。如愛特梅爾（Atmel）的SAM4L微控制器系列，就能夠在不用改變產品規格的情況下，保持低至1.68V的工作電壓，并且維持最高性能，且其外圍周邊操作不受影響。根據費氏（Fibonacci）基準，該系列是市面上擁有最低工作/動態模式功耗（90μA/MHz）的ARM Cortex-M4微控制器。若再加以運用功率調節（Power Scaling）技術，可以進一步平衡最大時脈速度和功耗（圖3）。

　　圖3 SAM4L微控制器在工作模式下的功耗表現

　　除此之外，如果設計人員選用的微控制器能夠提供不同的電壓調節器選擇，可進一步降低在工作/動態模式下的系統功耗。例如降壓或開關穩壓器能夠在操作電壓為 2∼3.6V時提供更高的功率，或是線性穩壓器在1.68∼3.6V的范圍內運作，具有較高的抗噪性，而在小于2.3V范圍內調節器則可達到最高功率。

　　快速喚醒能力攸關節能效益

　　前面有提到，為了要讓電池維持更長的壽命，在智能手表的系統設計上，中央微控制器大部分時間必須維持在睡眠模式，因此如果能降低中央微控制器睡眠模式的功耗，將有助于進一步降低系統的總體功耗。

　　可是，如果總是要花很長時間從睡眠模式中喚醒系統，這并非真正的節能。設計人員的終極目標是要確保能快速將系統從睡眠模式中喚醒，并且能根據系統需求，有彈性地選擇不同睡眠模式，這樣一來系統就可以盡可能在深度睡眠模式中停留更長的時間，而不會出現性能上的延遲，這才是真正的節能。

　　如前文所提及的SAM4L微控制器系列，具有來自于picoPower技術的超低睡眠模式電流特性，可以支援四種睡眠模式：睡眠、待機、保存和備用。在所有的模式下，以第一條指令抓取的喚醒，即使在最低功耗的睡眠模式下醒來，也只需要1.5微秒（μs）的喚醒時間（圖4）。

　　圖4 SAM4L微控制器在睡眠模式下的功耗表現

　　該系列還具有非常靈活的喚醒配置。設計人員可使用內部的電源管理器和備用電源管理，來開啟和關閉系統時脈來源，并選擇喚醒來源。時脈來源由電源管理器控制，包括on-chip RC振蕩器，以及振蕩器和超精密數位相位鎖相環（DFLL）。在睡眠、待機和保存模式下，可以選擇任何來源以喚醒系統。

　　接下來將提及的夢游（Sleep Walking）功能，也允許周邊功能在不須要系統定時器持續運行的情況下，以非同步方式喚醒系統；而在備用模式下，32kHz時脈或系統定時器，再加上通用異步收發器（UART）、外部中斷或電壓不足偵測（BOD）警告，便能喚醒系統。

　　事件系統/夢游功能　進一步降低系統功耗

　　事件系統（Event System）允許外圍周邊直接發送訊號或事件到其他周邊，而毋須藉由中央處理器（CPU）。舉例而言，定時器溢位（Timer Overflow）或類比比較器輸出如有變化，不需要CPU即能觸動類比數位轉換器（ADC）轉換或啟動直接記憶體存取（DMA）傳輸。那么事件系統能解決什么問題呢？

　　首先，事件系統能讓CPU進入更長時間的睡眠或閑置狀態，提升節能效果。再者，它能讓外圍周邊不須透過CPU即可互相通訊，因此CPU可以更集中執行非CPU不可的任務，進而提升CPU表現。事件系統能提供事件一個恒定且100%可預測的反應時間--在兩個時脈周期或 40奈秒（ns）內發生反應。如果是先藉由軟體程序的中斷，再透過CPU來執行相同的任務，則可能需要數微秒（μs）的反應時間。此外，該系統允許多達八個周邊同時平行處理，因此不須要擔心中斷擁塞的情況發生（圖5）。

　　圖5 在事件系統運作下，周邊可不透過CPU而互相通訊。

　　除了標準的同步事件之外，事件系統亦支援非同步事件。非同步事件甚至可以在系統時脈未運行的情況下，在各種睡眠模式下執行。這是透過一些先進的電源管理器功能來達成的，例如夢游功能和非同步喚醒功能。

　　夢游功能允許外圍周邊透過請求模組的局部時脈，而不用系統定時器持續地運行或非同步地喚醒元件，并且可以讓事件系統在各種睡眠模式下處理非同步事件。事件處理完成后，模組局部時脈的請求便會解除，讓模組回到睡眠狀態。簡而言之，夢游功能幫助系統進一步降低功耗，不須要妥協于反應時間，或是為了降低系統功耗而免去一些跟系統安全性有關的監測功能。

　　接著舉一個將夢游功能應用于智慧管理外部溫度量測的實例。該應用須要定期測量溫度，以決定它是否超過系統臨界溫度。如果超過，該溫度讀數會被儲存在靜態隨機存取記憶體（SRAM）中，并交由CPU處理該數據；如果沒有超過，則系統會繼續維持在睡眠模式，CPU不會被喚醒或采取任何行動。

　　夢游功能讓CPU在整個事件過程中保持關閉狀態。首先，利用即時計數器（RTC）在固定的時間間隔下產生一個事件（測量溫度），同時利用夢游功能來喚醒ADC進行溫度測量，并比較該溫度和預設臨界值。再來，ADC確定溫度沒有超過臨界值后，便會回到睡眠狀態。接著重覆以上的程序，繼續喚醒下一個ADC，量測到溫度上升到臨界值之上，CPU才會被喚醒。最后，DMA控制器將數據傳送到SRAM以進行處理（圖6）。

　　圖6 夢游功能的應用范例

　　相較之下，傳統的微控制器在執行同樣的應用監測例子時，由于沒有夢游功能，所以每一次都必須喚醒CPU來指示ADC去量測溫度，以確定系統溫度是否超過臨界值。但大多數的情況下，測量溫度都不會超過臨界值，更不須要再執行什么動作，如此反覆操作將耗去很多能量。即使這是一個在多數時間都處于睡眠模式的系統，卻仍然產生很大的能量損失，大幅降低電池壽命。可以從圖7中很明顯地比較出來，具備夢游功能的微控制器，消耗的能量遠遠小于傳統的微控制器。

　　圖7 MCU具有夢游功能時的功耗

　　完美的智能手表也許不存在，畢竟不同的人有不同需求。有些人喜歡時尚精簡的手表，有的喜歡支援強大功能、帶有觸控大表面的手表，不過有些條件，例如延長電池壽命則是無論如何都不能缺少的。

　　如果設計人員能選用在工作和睡眠模式下功耗較低、能在最短的時間內從睡眠中被喚醒，同時帶有獨特低功耗特性，如事件系統和夢游功能等的微控制器，想要設計出不須在性能上做任何妥協即可執行強大功能的應用軟體，并同時擁有持久電池壽命的智能手表，將不再是一個不可能的任務。