如何實(shí)現有效的MCU設計

微控制器被用作幾乎每個(gè)應用可以想象在主控制元件。他們的權力和靈活性，讓他們去到組件的大多數設計的心臟。關(guān)鍵要建立高效的設計中使用的MCU往往依賴(lài)于使功耗和性能之間的智能權衡。許多MCU提供了幾個(gè)選項，可以限制MCU時(shí)鐘速率，因此，其性能的MCU供電。了解工作電壓和工作時(shí)鐘速率之間的公共關(guān)系可以是如何充分利用你的下一個(gè)MCU設計的關(guān)鍵。本文將快速回顧一下一些常見(jiàn)的選項供電MCU和討論履行很可能導致所產(chǎn)生的制約。修改工作電壓在運行時(shí)獲得的性能和能效的最佳組合常用的技術(shù)進(jìn)行探討，以幫助您選擇和實(shí)施你的下一個(gè)基于MCU的設計。

頻率與工作電壓 - 一個(gè)關(guān)鍵的性能考慮

一個(gè)性能和功耗之間的最根本的關(guān)系是MCU工作時(shí)的電壓。工作電源直接關(guān)系到工作電壓(由定義，因為功率等于電壓乘以電流)，如此清晰的動(dòng)作電力需求上，你會(huì )用你的設計的MCU決定何時(shí)是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。你可能會(huì )認為，這意味著(zhù)你應該總是使用最低的功耗MCU，但是如果性能是設計中的所有問(wèn)題，您將需要考慮工作頻率為關(guān)鍵要素，以及，一個(gè)MCU的工作頻率經(jīng)常被限制其工作電壓。許多的MCU廠(chǎng)家明白的工作電壓，工作頻率，MCU性能，和MCU操作功率之間的關(guān)系的重要性，并且它們提供不同級別的操作功率和工作頻率，以便更容易對設計的最佳擬合優(yōu)化到系統要求。作為一個(gè)例子，瑞薩RL78 MCU有四種不同的工作電壓范圍，每一個(gè)都支持不同的操作頻率，如下面的圖1。在1.6 V和1.8 V時(shí)，RL78可在1 MHz和4 MHz之間的任何地方運行。間2.7 V和5.5 V時(shí)，可以在最多20兆赫運行。因此，RL78可以操作快五倍，如果它使用2.7 V代替1.8伏，在工作電源電壓只增加了50%。

圖1：電壓與頻率圖瑞薩RL78 MCU。

改善電源效率的上述關(guān)系時(shí)，在更高的電壓下工作是常見(jiàn)于許多MCU，并了解在電源效率是設計中的關(guān)鍵要求是最重要的關(guān)系之一。在許多情況下，它更省電，以保持在盡可能低的功耗狀態(tài)的MCU，也許是一個(gè)低的睡眠模式，當它需要做一些處理(也許采樣傳感器是否采取進(jìn)一步的行動(dòng)，看其喚醒需要采取)。當需要處理它通常更省電以更快的頻率下運行，以盡量減少在較高功率狀態(tài)的時(shí)間。如果處理可以做到5倍的速度，并只需一個(gè)操作功率增加50%，(如在RL78的情況下)，可以清楚地看到，所要求的總能量會(huì )少得多，因此這將是一個(gè)更節能的設計。

時(shí)鐘控制的MCU操作的頻率是由一個(gè)時(shí)鐘控制塊管理;和許多時(shí)鐘控制塊具有的功能，可用于選擇，控制和管理的時(shí)鐘源的CPU，內存，外圍設備，和模擬模塊。通過(guò)控制時(shí)鐘頻率，以這些塊，甚至關(guān)閉的時(shí)鐘功能沒(méi)有被在特定處理例程使用的動(dòng)態(tài)電流的量(所需的電流來(lái)改變一個(gè)信號或存儲元件的電壓電平)可以被調制，以便您使用的電流以最有效的方式。 (注意，基于電池的應用，特別，是最新的意識的設計，因為它是從電池通常是最關(guān)鍵的約束所提供的總電流)。許多最常見(jiàn)的和有用的時(shí)鐘控制功能包含在 Microchip的PIC32MX單片機的時(shí)鐘控制塊，對于大多數時(shí)鐘控制模塊示于圖2的出發(fā)點(diǎn)是時(shí)鐘源，并且通過(guò)具有多個(gè)源它使得有可能獨立地優(yōu)化的時(shí)鐘為多個(gè)模塊。

例如，PIC32MX具有低功耗內部RC振蕩器(LPRC圖2的底部附近)，可以當極低速操作是可接受的被使用。它可以提供看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)，這樣即使在非常低功耗模式這一關(guān)鍵計時(shí)器仍然可以使用。主振蕩器(POSC)使用一個(gè)外部晶體，以產(chǎn)生由該裝置的性能最高的部分的精確高速時(shí)鐘源的使用，并將該系統和USB鎖相環(huán)(在圖的頂部)。需要注意的是獨立的PLL也意味著(zhù)USB操作可以獨立于系統時(shí)鐘，提供優(yōu)化的時(shí)鐘和潛在的節省功耗的級別?？焖? RC振蕩器(FRC)規定如果不需要外部振蕩器8 MHz的時(shí)鐘源，當不需要的最高頻率和精度節省電路板空間，元件數量，或許省電。最后，輔助振蕩器可用于低功耗工作由外部32 kHz晶振。

圖2：在Microchip的PIC32MX1XX家庭時(shí)鐘控制模塊。

這財富時(shí)鐘源可以選擇和通過(guò)后的定標器，預定標器，和兩個(gè)主要的PLL來(lái)產(chǎn)生所需的裝置的各種子部分的頻率進(jìn)一步劃分。由16塊固定鴻溝和可選擇的 FRC 后scale分頻器(由FRCDIV輸入控制)創(chuàng )建CPU和外設(SYSCLK)主時(shí)鐘。外設時(shí)鐘可以通過(guò)附加的后分頻器被進(jìn)一步劃分為優(yōu)化外設時(shí)鐘速度，最大限度地減少在這些函數生成的動(dòng)態(tài)電流。許多在圖2所示的時(shí)鐘選項可以通過(guò)配置寄存器來(lái)控制或根據所需由編程的性能水平被自動(dòng)選擇?，F代的MCU更容易操作，甚至通過(guò)簡(jiǎn)單的應用程序接口(API)調用，簡(jiǎn)化和減少潛在沖突配置這些塊時(shí)“的手。”你看這些API的MCU廠(chǎng)商的文獻，軟件是最復雜的時(shí)鐘管理器工具 - 根據配置向導，代碼示例和參考設計，以簡(jiǎn)化設計過(guò)程。

閃存的性能和時(shí)鐘頻率

在選擇的MCU時(shí)經(jīng)常被忽視的一個(gè)領(lǐng)域是代碼閃速存儲器的性能。一些MCU都有快速CPU周期時(shí)間，但這些快速的操作速度可以通過(guò)代碼或存儲在閃速存儲器中的數據的訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間的限制。例如，在愛(ài)特梅爾AT32UC MCU閃光周期時(shí)間與工作頻率，如下面的圖3。當在33兆赫和由此所讀訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間只需要一個(gè)周期的閃光等待狀態(tài)(FWS)的數目是零。在66兆赫工作頻率快速存儲器插入FWS，所以存取時(shí)間需要兩個(gè)周期。因此，你可能希望最后得到33 MHz的有效工作頻率，具有66 MHz的時(shí)鐘運行時(shí)也是如此。 MCU制造商已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種方法卻減輕了等待狀態(tài)插入，這樣你通常支付比全開(kāi)銷(xiāo)要少得多。

圖3：閃存等待狀態(tài)愛(ài)特梅爾AVR MCU AT32UC。

以減輕閃存等待狀態(tài)是管道中的閃存接口，這是愛(ài)特梅爾AT32UC MCU所采??取的辦法。這種流水線(xiàn)方式允許突發(fā)來(lái)自連續存儲位置讀取(通過(guò)代碼存儲器訪(fǎng)問(wèn)到目前為止，絕大多數都是連續的，因為你通常只持續到下一個(gè)指令)不讀罰款。這導致只有15%在有效時(shí)間周期的平均開(kāi)銷(xiāo)，不是完整的100%，否則你可能期望。以減輕慢速閃光訪(fǎng)問(wèn)另一種常見(jiàn)的方法是使用本地存儲器緩存以便反復訪(fǎng)問(wèn)可以使用已經(jīng)獲取的數據，并且不要求完全讀較慢閃存塊。你應該總是仔細看看閃存存取和整體處理性能之間的相互作用在您的設計，以確定影響你的選擇的時(shí)鐘速度將對整體處理性能。