低功耗應用中µC外圍設備的選擇原則介紹

設計出色的低功耗應用需要同時(shí)考慮終端應用的需求和各種可用的 µC 特性。

　　設計人員可能會(huì )提出以下問(wèn)題：是否能夠重新充電?尺寸能夠做到多小?典型的工作時(shí)間是多少?速度必須多快?要連接哪種類(lèi)型的外圍器件?這些答案將最終為確立設計標準和功率要求積累原始資料。

　　圖 1：典型 µC 環(huán)境中的器件

　　處理功率

　　首先應該考慮 CPU 的處理功率,一般來(lái)說(shuō),CPU 是功耗最高的外圍器件。處理器全速運行時(shí),耗電量非常大,因此 CPU 處于待機或關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間越多,電池壽命越長(cháng)。例如,4 位處理器比 32 位處理器的功率消耗低;而處于休眠或停機狀態(tài)的任何位數的處理器均比工作中的處理器的功耗要低。因此,如果 32 位處理器執行功能所耗的時(shí)間僅為 4 位處理器的1/10,那么,它在整個(gè)系統生命周期內要少消耗 9/10 的功率。因此,大多數制造商建議以較高的頻率運行 CPU,迅速完成任務(wù),并立即返回到功耗最低的休眠狀態(tài)?？傊?在選擇處理器速度時(shí),要考慮能夠迅速處理預期工作量并盡可能長(cháng)時(shí)間地處于休眠狀態(tài)。

　　其次應考慮大多數便攜式應用的中斷服務(wù)例程 (ISR)。ISR 會(huì )定期喚醒處理器執行預排程序的或用戶(hù)啟動(dòng)的任務(wù),然后讓處理器返回到休眠狀態(tài)。進(jìn)入和退出 ISR 所用的 CPU 時(shí)鐘周期越少越好。事實(shí)上,許多 ISR(例如端口 I/O)有多個(gè)標志,這些標志可能會(huì )觸發(fā)同一中斷。采用程序計數器相對尋址方式的處理器會(huì )大大縮短識別和處理適當中斷源所需的必要周期-尤其是在鍵盤(pán)掃描應用中。如果 ISR 編寫(xiě)得好,通過(guò)限制喚醒 CPU、執行任務(wù)和返回休眠狀態(tài)所需的程序分支,可以確保處理時(shí)間最短。采用中斷向量表的處理器中,程序計數器加載 ISR 地址,這種處理器有助于減少額外的程序分支,并降低功耗。自動(dòng)上下文保存以及算術(shù)邏輯單元 (ALU) 標志和功率模式的恢復功能也可以促進(jìn)節能。

　　此外,由于在低速或時(shí)鐘停止的環(huán)境中,動(dòng)態(tài)內核處理器不能保持數據的完整性,因而應盡可能使用靜態(tài)內核處理器。

　　工作模式

　　休眠和“低功耗”模式也是必須考慮的重要問(wèn)題。通過(guò)減慢喚醒時(shí)間實(shí)現低功耗狀態(tài)(或關(guān)閉對喚醒器件非常重要的功能)會(huì )增加功耗,而不是降低功耗。

　　大多數低功耗器件的休眠或空閑模式會(huì )關(guān)閉處理器和時(shí)鐘,通常流耗低于一微安。然后,需要 I/O 中斷把處理器從休眠模式喚醒。使用 32kHz 時(shí)鐘驅動(dòng)定時(shí)器或實(shí)時(shí)時(shí)鐘能以更靈活的方式喚醒處理器?；?2kHz 振蕩器的功耗不像“深度睡眠”模式那樣低,但它能以幾微安的電流提供時(shí)鐘功能。由于許多便攜式應用需要實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能,這種改進(jìn)可以讓系統選用多種不同的外圍器件。

　　需要注意的一點(diǎn)是,如果處理器必須使用 RESET 信號從停機狀態(tài)喚醒,它必須運行所有硬件初始化程序。事實(shí)上,即使處理器SRAM 中的內容沒(méi)有改變且仍然能夠尋址中斷,它也將不得不重新初始化處理器外圍器件,這將消耗能量。

　　振蕩器

　　在通過(guò)復位喚醒時(shí),由于穩定振蕩器晶體所花費的時(shí)間不同,內部振蕩器能比外部振蕩器多執行將近 1,000 條指令。例如,使用外部振蕩器的100 MIP 機器啟動(dòng)、穩定和處理指令需要的時(shí)間為1 毫秒。與此相比,同一臺機器僅需要1 微秒時(shí)間就可以使內部振蕩器全速工作。讓外部振蕩器穩定的時(shí)間里,內部振蕩器可以完成加電,執行 1000 條指令,然后恢復斷電狀態(tài)。這一時(shí)間通常已足夠找到中斷地址,并恢復斷電狀態(tài)。那么,為什么要考慮使用外部振蕩器呢?外部振蕩器通常在整個(gè)工作溫度范圍內更準確。事實(shí)上,在低功耗應用中,嵌入式程序裝置經(jīng)常習慣對照外部振蕩器校準內部振蕩器。這是因為驅動(dòng)外部振蕩器并使其達到速度所需的電路比內部振蕩器消耗的功率更大。

　　選擇內部振蕩器時(shí)應慎重。雖然某些內部振蕩器可以在數微秒內喚醒處理器,但是,必須在經(jīng)過(guò)數毫秒,當外部晶體達到穩定之后, 才能以更高的速度運行,然后 CPU 時(shí)鐘才能切換到更高的頻率。例如,如果一個(gè) 100 MIP 的處理器有一個(gè) 20kHz 的內部時(shí)鐘,該時(shí)鐘與外部振蕩器的 1 MHz 時(shí)鐘同時(shí)啟動(dòng),內部振蕩器將仍然能夠執行 999 條指令,而更高速度的處理器用同樣的時(shí)間只能執行 20 條指令。

　　定時(shí)器

　　利用好定時(shí)器有助于在處理器保持待機狀態(tài)的情況下實(shí)現系統處理功能。由于定時(shí)器功耗非常小,因此這有助于大大降低功耗。應該使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊接受 32kHz 計時(shí)器定時(shí)器輸入和設置不同時(shí)間間隔的“警報”或中斷,在無(wú)需處理器干預的情況下,使計時(shí)器計數增加。同樣,應該使用影子寄存器更新和比較來(lái)自 ISR 的值。一旦寄存器讀到有效的預編程值,即觸發(fā) ISR,使處理器脫離休眠或待機狀態(tài),而不需要 CPU 尋找 ISR 地址、更新周期或比較值。

　　管理開(kāi)銷(xiāo)

　　管理開(kāi)銷(xiāo)系統監視程序、監管工作有助于防范不安全的狀況,有關(guān)器件包括電壓監控器和看門(mén)狗定時(shí)器。由于數字電路依賴(lài)觸發(fā)器或從負到正(或相反亦然)狀態(tài)的轉換,因此,即使工作電壓有稍小的下降,也可能會(huì )意外觸發(fā) RESET 條件,從而造成系統無(wú)法工作。電力減弱保護作為電壓監控的一部分,一般用于確保電壓瞬變不會(huì )強制處理器進(jìn)入和退出RESET 狀態(tài)。

　　只要有可能,在電壓監控解決方案中應采用不可屏蔽的中斷 (NMI) 來(lái)識別電壓瞬變。這種方法讓用戶(hù)能隨心所欲地設定電壓觸發(fā)的門(mén)限電平,無(wú)需系統復位條件,其功耗一般比模擬-數字轉換器 (ADC) 通道更低。

　　看門(mén)狗定時(shí)器監視故障情況。雖然在典型的嵌入式應用中,內嵌的系統程序器往往禁用看門(mén)狗定時(shí)器,但是在低功耗系統中,在電源電壓不穩定的情況下,看門(mén)狗定時(shí)器是一種有用的工具?？撮T(mén)狗定時(shí)器會(huì )執行預先設定功能,例如在符合某些條件時(shí),比如電壓過(guò)低或有內存問(wèn)題時(shí),向處理器發(fā)出 RESET 指令。所選擇的處理器應該能夠生成已知的 ISR,使處理器無(wú)需執行 RESET 而恢復聯(lián)機狀態(tài);因為執行 RESET,必須啟動(dòng)外圍設備,因而會(huì )消耗更多的處理器功率。

　　UART 通信

　　將一個(gè)數字時(shí)鐘與另一個(gè)數字時(shí)鐘精確到秒地同步是不可能的,因為每個(gè)時(shí)鐘均與其內部晶體同步。在 MCU 驅動(dòng)的系統中,低功耗模式下使用的 32kHz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶體與用于生成UART 波特率的普通 38.4kHz 頻率之間會(huì )出現類(lèi)似的同步問(wèn)題。因為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的 32,768 頻率使 15 位寄存器每秒溢出一次,所以非常適合時(shí)間保持(TIme-keeping) 應用。比較而言,在UART 中使用相同的頻率,則在典型的 10 位(起始位、8 位數據和 1 個(gè)奇偶校驗位)傳輸中保證至少有一位讀取不正確。這是由于 32,768Hz 時(shí)鐘必須除以 3.4,才能得到 9,600 波特率。由于沒(méi)有 3.4 這一選擇,因此必須選擇除以 3 或除以 4(參見(jiàn)圖2)。

　　將一個(gè)數字時(shí)鐘與另一個(gè)數字時(shí)鐘精確到秒地同步是不可能的,因為每個(gè)時(shí)鐘均與其內部晶體同步。在 MCU 驅動(dòng)的系統中,低功耗模式下使用的 32kHz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶體與用于生成UART 波特率的普通 38.4kHz 頻率之間會(huì )出現類(lèi)似的同步問(wèn)題。因為實(shí)時(shí)時(shí)鐘的 32,768 頻率使 15 位寄存器每秒溢出一次,所以非常適合時(shí)間保持(time-keeping) 應用。比較而言,在UART 中使用相同的頻率,則在典型的 10 位(起始位、8 位數據和 1 個(gè)奇偶校驗位)傳輸中保證至少有一位讀取不正確。這是由于 32,768Hz 時(shí)鐘必須除以 3.4,才能得到 9,600 波特率。由于沒(méi)有 3.4 這一選擇,因此必須選擇除以 3 或除以 4(參見(jiàn)圖2)。

　　圖 2：9600 波特傳輸時(shí) 32Khz 驅動(dòng) UART Rx 錯誤