MSP430系列MCU的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘配置分析

本文結合MSP430系列微處理器，詳細論述了通過(guò)控制改變MCU的時(shí)鐘頻率來(lái)降低功耗的設計方法。

　　1 功耗產(chǎn)生的原因

　　在CMOS電路中，功耗損失主要包括靜態(tài)功耗損失和動(dòng)態(tài)功耗損失兩部分。其中靜態(tài)功耗主要是由反偏PN結的漏電流和晶體管的亞閾值電流引起的，其最主要的形式就是漏電損失。其實(shí)CMOS電路理論上不會(huì )有靜電功耗損失，因為從供應電源到地面沒(méi)有直接的路徑，但實(shí)際上晶體管總會(huì )有漏電電流的出現，從而出現漏電損失。在0.18μm工藝水平之下，其在功耗中所占比重大約為5%～10%，一般可以忽略(但是隨著(zhù)工藝的提高，供電電壓的降低，又使其所占比重逐漸上升)。這樣，在CMOS電路中，動(dòng)態(tài)功耗就成了這個(gè)系統功耗的主要組成部分，約占整體功耗的90%以上。定量地分析電路的動(dòng)態(tài)功耗，可用以下公式表示：

　　其中：C為負載電容;VDD為電源電壓;?琢為翻轉幾率，即每個(gè)時(shí)鐘周期中發(fā)生的充放電周期個(gè)數;fCLK為時(shí)鐘頻率。從這個(gè)公式可以看到如何降低動(dòng)態(tài)功耗從而降低整個(gè)CMOS電路的功耗。即可以減小翻轉的負載電容，降低電源電壓，減小節點(diǎn)的翻轉幾率，或者降低時(shí)鐘頻率。本文將主要圍繞如何動(dòng)態(tài)降低時(shí)鐘頻率實(shí)現低功耗設計。

　　2 動(dòng)態(tài)時(shí)鐘低功耗管理原理

　　MCU系統設計是個(gè)很復雜的過(guò)程，在一些條件下可能會(huì )用到整個(gè)系統的所有硬件資源，但是在一些應用中可能只需要其中很少的一部分硬件資源;在某些應用中可能需要很高的時(shí)鐘頻率，而在其他應用中卻可以工作在很低的工作頻率中。例如：當任務(wù)量很大時(shí)，MCU滿(mǎn)負荷工作，則需要較高的時(shí)鐘頻率，功耗較大;當任務(wù)量很小時(shí)，MCU負荷較輕，所需時(shí)鐘頻率較低，功耗就可以相應降低。動(dòng)態(tài)配置系統的時(shí)鐘頻率就是以不犧牲系統的性能為前提，動(dòng)態(tài)地管理系統的工作頻率來(lái)降低MCU的功耗。

　　3 低功耗動(dòng)態(tài)時(shí)鐘實(shí)現

　　圖1為MSP430系列MCU基礎時(shí)鐘模塊。

　　MSP430基礎時(shí)鐘模塊包含以下3個(gè)時(shí)鐘輸入源。

　　(1)LFXT1CLK 低頻時(shí)鐘源：由LFXT1振蕩器產(chǎn)生(如圖2所示)。通過(guò)軟件將狀態(tài)寄存器中OSCOff復位后，LFXT1開(kāi)始工作，即系統采用低頻工作。如果LFXT1CLK沒(méi)有用作SMCLK或MCLK信號，則可以用軟件將OSCOff置位，禁止LFXT1工作。

　　(2)XT2CLK高頻時(shí)鐘源：由XT2振蕩器產(chǎn)生。它產(chǎn)生時(shí)鐘信號XT2CLK，其工作特性與LFXT1振蕩器工作在高頻模式時(shí)類(lèi)似?？珊?jiǎn)單地通過(guò)軟件設置XT2振蕩器是否工作，當XT2CLK沒(méi)有用作SMCLK或MCLK信號時(shí)，關(guān)閉XT2，選擇其他時(shí)鐘源。

　　(3)DCOCLK 數字控制RC振蕩器。由集成在時(shí)鐘模塊中的DCO振蕩器產(chǎn)生。DCO振蕩器是一個(gè)RC振蕩器，頻率可以通過(guò)軟件調節，其控制邏輯如圖3所示。當振蕩器LFXT1、XT2被禁止或失效時(shí)，DCO振蕩器被自動(dòng)選作MCLK的時(shí)鐘源。因此由振蕩器失效引起的系統中斷請求可以得到響應，甚至在CPU關(guān)閉的情況下也能得到處理。