嵌入式微控制器低功耗MCU的選擇方法

• 斷電模式
  
• 定時(shí)系統
  
• 事件驅動(dòng)功能
  
• 片上外設
  
• 掉電檢測與保護
  
• 漏電流
  
• 處理效率

圖 1

----在使 MCU 能夠達到電流預算的所有功能中，斷電模式最重要。低功耗 MCU 具有可提供不同級別功能的斷電模式。例如，TI 超低功耗 MCU MSP430 系列產(chǎn)品可以提供 5 種斷電模式。低功耗模式 0 (LPM0) 會(huì )關(guān)閉 CPU，但是保持其他功能正常運轉。LPM1 與 LPM2 模式在禁用功能列表中增加了各種時(shí)鐘功能。LPM3 是最常用的低功耗模式，只保持低頻率時(shí)鐘振蕩器以及采用該時(shí)鐘的外設運行。LPM3 通常稱(chēng)為實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式，因為它允許定時(shí)器采用低功耗 32768Hz 時(shí)鐘源運行，電流消耗低于 1uA，同時(shí)還可定期激活系統。最后，LPM4 完全關(guān)閉器件上的包括 RAM 存儲在內的所有功能，電流消耗僅 100 毫微安。

----時(shí)鐘系統是MCU功耗的關(guān)鍵。應用可以每秒多次或幾百次進(jìn)入與退出各種低功耗模式。進(jìn)入或退出低功耗模式以及快速處理數據的功能極為重要，因為 CPU會(huì )在等待時(shí)鐘穩定下來(lái)期間浪費電流。大多低功耗 MCU 都具有"即時(shí)啟動(dòng)"時(shí)鐘，其可以在不到 10～20us 時(shí)間內為 CPU 準備就緒。但是，重要的是要明白哪些時(shí)鐘是即時(shí)啟動(dòng)、哪些非即時(shí)啟動(dòng)的。某些 MCU 具有雙級時(shí)鐘激活功能，該功能在高頻時(shí)鐘穩定化過(guò)程中提供一個(gè)低頻時(shí)鐘（通常為32768Hz），其可以達到 1 毫秒。CPU 在大約 15us 時(shí)間內正常運行，但是運行頻率較低，效率也較低。如果 CPU 只需要執行數量較少的指令的話(huà)，如：25 條，其需要 763us。CPU 低頻比高頻時(shí)消耗更少的電流，但是并不足于彌補處理時(shí)間的差異。相比而言，某些 MCU 在 6 微秒時(shí)間內就可以為 CPU 提供高速時(shí)鐘，處理相同的 25 條指令僅需要大約 9us（6us 激活＋25 條指令′0.125us指令速率），而且可以實(shí)現即時(shí)啟動(dòng)的高速串行通信。圖 2說(shuō)明即時(shí)啟動(dòng)的 8Mhz時(shí)鐘啟動(dòng)的例子，其達到完全穩定狀態(tài)僅需要 292us。

圖 2

----另外，如果 MCU 時(shí)鐘系統為外設提供多個(gè)時(shí)鐘源的話(huà)，當 CPU 處于睡眠狀態(tài)時(shí)外設仍然可以運行。例如，一次 A/D 轉換可能需要一個(gè)高速時(shí)鐘。如果 MCU 時(shí)鐘系統提供獨立于 CPU 的高速時(shí)鐘，CPU 就可以在 A/D 轉換器運行情況下進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而節省 CPU 耗流量。

----事件驅動(dòng)功能與時(shí)鐘系統的靈活性并存。中斷會(huì )使 MCU 退出低功耗模式，因此，MCU 的中斷越多，其防止浪費電流的 CPU 輪詢(xún)與降低功耗的靈活性就越大。輪詢(xún)意味著(zhù)進(jìn)行與不進(jìn)行功耗預算之間存在差異，因為它在等待出現事件時(shí)會(huì )浪費CPU 帶寬并需要額外電流。一個(gè)好的低功耗 MCU 應具有充分的中斷功能，為其所有外設提供中斷，同時(shí)為外部事件提供眾多外部中斷。

----按鈕或鍵盤(pán)應用可以證明外部中斷的優(yōu)勢。如果不具備中斷功能，MCU 必須頻繁輪詢(xún)鍵盤(pán)或按鈕，以確定其是否被按下。不僅輪詢(xún)自身會(huì )消耗功率，而且控制輪詢(xún)間隔也需要定時(shí)器，其會(huì )消耗附加電流。相比而言，在具備中斷情況下，CPU 可以在整個(gè)過(guò)程中保持睡眠狀態(tài)，只有按下按鈕時(shí)才激活。

----在選擇低功率 MCU 時(shí)，還需要考慮外設功耗與電源管理。某些低功率 MCU 僅僅是設計時(shí)不具備低利率功能的舊架構的改進(jìn)版本。而有些 MCU 在設計時(shí)即具備低功耗特性，并在其外設中內置了低功耗功能。一種特性是在需要時(shí)單獨啟動(dòng)或關(guān)閉外設的能力，換言之，更重要的是自動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉外設的能力。 A/D 轉換器就是一個(gè)例子，其在完成一次轉換后可以自動(dòng)關(guān)閉。另外，某些 MCU 正在引入直接存儲器存取功能，其可以在無(wú)需 CPU 干預情況下自動(dòng)處理數據。

----大多 MCU 具有集成的掉電保護功能，當電源低于正常操作范圍時(shí)其可以復位 MCU。通常會(huì )提供啟動(dòng)或關(guān)閉掉電保護以節省功耗的功能，但是必須在整個(gè)過(guò)程中都使掉電保護功能置于可用狀態(tài)，因為掉電是不可預測的。某些 MCU 需要70uA 的電流來(lái)實(shí)現掉電保護。在只需要 45uA 平均電流的應用實(shí)例中很明顯可以不考慮這些 MCU。

----在選擇低功耗 MCU 期間有時(shí)會(huì )忽視漏電流，但是，在最苛刻的低功耗應用中則必須考慮到漏電流。大多改進(jìn)后的低功耗 MCU 都具有 1uA 的限定輸入漏電流。在 20 輸入器件中，它可能會(huì )消耗 20uA！針對低功耗設計的最新 MCU 具有最高50nA 的漏電流。

----最后，我們常常會(huì )誤解 MCU 處理效率。大家通常會(huì )認為 16 位 MCU 需要兩倍于 8 位 MCU 的內存，但是一個(gè) 16 位架構實(shí)際上需要比 8 位架構要少一些的代碼，而 16 位 MCU 一般會(huì )更快速地執行任務(wù)。例如，8 位 MCU 需要 CPU 開(kāi)銷(xiāo)來(lái)管理具有 10 位 A/D 轉換數據或需要 16 位計算的應用中的數據。而且當今許多MCU 產(chǎn)品都具有單個(gè)工作文件或累加器，其數據必須進(jìn)行傳輸，以便處理，因此，與基于寄存器的架構相比需要額外的 CPU 開(kāi)銷(xiāo)。表 1 說(shuō)明在 16 位現代架構與8 位 8051 架構上傳輸 10 位 A/D 數據的指令。在采用 1Mhz 時(shí)鐘情況下，16 位器件需要 6us 進(jìn)行傳輸，而 8 位器件則需要 24us。

----選擇低功率 MCU 是一項耗時(shí)、棘手的工作。如果花費一些時(shí)間來(lái)了解可用產(chǎn)品選項的架構特性，我們就能夠開(kāi)發(fā)出能滿(mǎn)足最苛刻功率預算的設計。