單片機系統的低功耗設計策略

　　摘要：嵌入式系統的低功耗設計需要全面分析各方面因素，統籌規劃。在設計之初，各個(gè)因素往往是相互制約、相互影響的，一個(gè)降低系統功耗的措施有時(shí)會(huì )帶來(lái)其他方面的“負效應”。因此，降低系統整體功耗，需要仔細分析和計算。本文從硬件和應用軟件設計兩個(gè)方面，闡述一個(gè)以單片機為核心的嵌入式系統低功耗設計時(shí)所需考慮的一些問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：低功耗設計 硬件設計 應用軟件設計 低功耗模式

　　在嵌入式應用中，系統的功耗越來(lái)越受到人們的重視，這一點(diǎn)對于需要電池供電的便攜式系統尤其明顯。降低系統功耗，延長(cháng)電池的壽命，就是降低系統的運行成本。對于以單片機為核心的嵌入式應用，系統功耗的最小化需要從軟、硬件設計兩方面入手。

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的嵌入式應用使用了實(shí)時(shí)操作系統，如何在操作系統層面上降低系統功耗也成為一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。限于篇幅，本文僅從硬件設計和應用軟件設計兩個(gè)方面討論。

1 硬件設計

　　選用具有低功耗特性的單片機可以大大降低系統功耗?？梢詮墓╇婋妷?、單片機內部結構設計、系統時(shí)鐘設計和低功耗模式等幾方面考察一款單片機的低功耗特性。

1.1 選用盡量簡(jiǎn)單的CPU內核

　　在選擇CPU內核時(shí)切忌一味追求性能。8位機夠用，就沒(méi)有必要選用16位機，選擇的原則應該是“夠用就好”?，F在單片機的運行速度越來(lái)越快，但性能的提升往往帶來(lái)功耗的增加。一個(gè)復雜的CPU集成度高、功能強，但片內晶體管多，總漏電流大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡(jiǎn)單的CPU內核不僅功耗低，成本也低。

1.2 選擇低電壓供電的系統

　　降低單片機的供電電壓可以有效地降低其功耗。當前，單片機從與TTL兼容的5 V供電降低到3.3 V、3 V、2 V乃至1.8 V供電。供電電壓降下來(lái)，要歸功于半導體工藝的發(fā)展。從原來(lái)的3 μm工藝到現在的0.25、0.18、0.13 μm工藝， CMOS電路的門(mén)限電平閾值不斷降低。低電壓供電可以大大降低系統的工作電流，但是由于晶體管的尺寸不斷減小，管子的漏電流有增大的趨勢，這也是對降低功耗不利的一個(gè)方面。

　　目前，單片機系統的電源電壓仍以5 V為主，而過(guò)去5年中，3 V供電的單片機系統數量增加了1倍，2 V供電的系統也在不斷增加。再過(guò)五年，低電壓供電的單片機數量可能會(huì )超過(guò)5 V電壓供電的單片機。如此看來(lái)，供電電壓降低將是未來(lái)單片機發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

1.3 選擇帶有低功耗模式的系統

　　低功耗模式指的是系統的等待和停止模式。處于這類(lèi)模式下的單片機功耗將大大小于運行模式下的功耗。過(guò)去傳統的單片機，在運行模式下有wait和stop兩條指令，可以使單片機進(jìn)入等待或停止狀態(tài)，以達到省電的目的。

　　等待模式下，CPU停止工作，但系統時(shí)鐘并不停止，單片機的外圍I/O模塊也不停止工作；系統功耗一般降低有限，相當于工作模式的50%～70%。

　　停止模式下，系統時(shí)鐘也將停止，由外部事件中斷重新啟動(dòng)時(shí)鐘系統時(shí)鐘，進(jìn)而喚醒CPU繼續工作，CPU消耗電流可降到μA級。在停止模式下，CPU本身實(shí)際上已經(jīng)不消耗什么電流，要想進(jìn)一步減小系統功耗，就要盡量將單片機的各個(gè)I/O模塊關(guān)掉。隨著(zhù)I/O模塊的逐個(gè)關(guān)閉，系統的功耗越來(lái)越小，進(jìn)入停止模式的深度也越來(lái)越深。進(jìn)入深度停止模式無(wú)異于關(guān)機，這時(shí)的單片機耗電可以小于20 nA。其中特別要提示的是，片內RAM停止供電后，RAM中存儲的數據會(huì )丟失，也就是說(shuō)，喚醒CPU后要重新對系統作初始化。因此在讓系統進(jìn)入深度停止狀態(tài)前，要將重要系統參數保存在非易失性存儲器中，如EEPROM中。深度停止模式關(guān)掉了所有的I/O，可能的喚醒方式也很有限，一般只能是復位或IRQ中斷等。

　　保留的I/O模塊越多，系統允許的喚醒中斷源也就越多。單片機的功耗將根據保留喚醒方式的不同，降至1μA至幾十μA之間。例如，用戶(hù)可以保留外部鍵盤(pán)中斷，保留異步串行口（SCI）接收數據中斷等來(lái)喚醒CPU。保留的喚醒方式越多，系統耗電也就會(huì )多一些。其他可能的喚醒方式還有實(shí)時(shí)鐘喚醒、看門(mén)狗喚醒等。停機狀態(tài)較淺的情況下，外部晶振電路還是工作的。

　　圖1以Freescale的HCS08單片機為例，給出不同運行模式下的系統功耗。HCS08是8位單片機，有多個(gè)系列，各系列I/O模塊數目有所不同，但低功耗模式下的電流消耗大致相同。

　　圖1HCS08單片機各模式下的耗電

　　以R系列單片機為例：在室溫（25℃）下，不包括I/O口的負載，以2 V供電，將可編程鎖相環(huán)時(shí)鐘設為16 MHz（總線(xiàn)時(shí)鐘8 MHz），典型電流值為2.6 mA，當溫度升高到85℃時(shí)，供電電流也升高到3.6 mA；而采用3 V供電，這一組數據升高至3.8 mA和4.8 mA。用2 V供電，直接使用外部晶振2 MHz（總線(xiàn)時(shí)鐘1 MHz）時(shí)，典型運行電流降至450 μA。在等待狀態(tài)下，因時(shí)鐘并沒(méi)有停止，耗電情況和時(shí)鐘頻率有很大關(guān)系，節省的功耗有限；而進(jìn)入輕度停止（stop3），以外部中斷喚醒，電流消耗在0. 5 μA左右。在中度停止態(tài)（stop2），功耗可進(jìn)一步降低。使用內部1 kHz的時(shí)鐘，保持1個(gè)運行的時(shí)鐘，周期性喚醒CPU，所增加的電流約為0.3 μA。在深度停止態(tài)（stop1），RAM的數據也不再保留，只能通過(guò)外部復位重啟系統，此時(shí)的電流消耗可降到20 nA。以上數據都是在室溫下測量所得。當環(huán)境溫度升高到85℃時(shí)，電流消耗可能增加3～5倍。

1.4選擇合適的時(shí)鐘方案

　　時(shí)鐘的選擇對于系統功耗相當敏感，設計者需要注意兩個(gè)方面的問(wèn)題：

　　第一是系統總線(xiàn)頻率應當盡量低。單片機內部的總電流消耗可分為兩部分——運行電流和漏電流。理想的CMOS開(kāi)關(guān)電路，在保持輸出狀態(tài)不變時(shí)，是不消耗功率的。例如，典型的CMOS反相器電路，如圖2所示，當輸入端為零時(shí)，輸出端為1，P晶體管導通，N晶體管截止，沒(méi)有電流流過(guò)。而實(shí)際上，由于N晶體管存在一定漏電流，且隨集成度提高，管基越薄，漏電流會(huì )加大。溫度升高，CMOS翻轉閾電壓會(huì )降低，而漏電流則隨環(huán)境溫度的增高變大。在單片機運行時(shí)，開(kāi)關(guān)電路不斷由“1”變“0”、由“0”變“1”，消耗的功率是由單片機運行引起的，我們稱(chēng)之為“運行電流”。如圖2所示，在兩只晶體管互相變換導通、截止狀態(tài)時(shí)，由于兩只管子的開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間不可能完全一致，在某一瞬間會(huì )有兩只管子同時(shí)導通的情況，此時(shí)電源到地之間會(huì )有一個(gè)瞬間較大的電流，這是單片機運行電流的主要來(lái)源?？梢钥闯?，運行電流幾乎是和單片機的時(shí)鐘頻率成正比的，因此盡量降低系統時(shí)鐘的運行頻率可以有效地降低系統功耗。

　　圖2典型的CMOS反相器

　　第二是時(shí)鐘方案，也就是是否使用鎖相環(huán)、使用外部晶振還是內部晶振等問(wèn)題。新一代的單片機，如飛思卡爾的HCS08系列單片機，片內帶有內部晶振，可以直接作為時(shí)鐘源。使用片內晶振的優(yōu)點(diǎn)是可以省掉片外晶振，降低系統的硬件成本；缺點(diǎn)是片內晶振的精度不高（誤差一般在25%左右，即使校準之后也可能有2%的相對誤差），而且會(huì )增加系統的功耗。

　　現代單片機普遍采用鎖相環(huán)技術(shù)，使單片機的時(shí)鐘頻率可由程序控制。鎖相環(huán)允許用戶(hù)在片外使用頻率較低的晶振，可以很大地減小板級噪聲；而且，由于時(shí)鐘頻率可由程序控制，系統時(shí)鐘可以在一個(gè)很寬的范圍內調整，總線(xiàn)頻率往往能升得很高。但是，使用鎖相環(huán)也會(huì )帶來(lái)額外的功率消耗。

　　單就時(shí)鐘方案來(lái)講，使用外部晶振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。

2 應用軟件方面的考慮

　　之所以使用“應用軟件”的說(shuō)法，是為了區分于“系統軟件”或者“實(shí)時(shí)操作系統”。軟件對于一個(gè)低功耗系統的重要性常常被人們忽略。一個(gè)重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現，同時(shí)也沒(méi)有一個(gè)嚴格的標準來(lái)判斷一個(gè)軟件的低功耗特性。盡管如此，設計者仍需盡量將應用的低功耗特性反映在軟件中，以避免那些“看不見(jiàn)”的功耗損失。

2.1 用“中斷”代替“查詢(xún)”

　　一個(gè)程序使用中斷方式還是查詢(xún)方式對于一些簡(jiǎn)單的應用并不那么重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠。使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢(xún)方式下，CPU必須不停地訪(fǎng)問(wèn)I/O寄存器，這會(huì )帶來(lái)很多額外的功耗。

2.2 用“宏”代替“子程序”

　　程序員必須清楚，讀RAM會(huì )比讀Flash帶來(lái)更大的功耗。正是因為如此，低功耗性能突出的ARM在CPU設計上僅允許一次子程序調用。因為CPU進(jìn)入子程序時(shí)，會(huì )首先將當前CPU寄存器推入堆棧（RAM），在離開(kāi)時(shí)又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來(lái)兩次對RAM的操作。因此，程序員可以考慮用宏定義來(lái)代替子程序調用。對于程序員，調用一個(gè)子程序還是一個(gè)宏在程序寫(xiě)法上并沒(méi)有什么不同，但宏會(huì )在編譯時(shí)展開(kāi)，CPU只是順序執行指令，避免了調用子程序。唯一的問(wèn)題似乎是代碼量的增加。目前，單片機的片內Flash越來(lái)越大，對于一些不在乎程序代碼量大一些的應用，這種做法無(wú)疑會(huì )降低系統的功耗。

2.3 盡量減少CPU的運算量

　　減少CPU運算的工作可以從很多方面入手：將一些運算的結果預先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計算，減少CPU的運算工作量，可以有效地降低CPU的功耗（很多單片機都有快速有效的查表指令和尋址方式，用以?xún)?yōu)化查表算法）；不可避免的實(shí)時(shí)計算，算到精度夠了就結束，避免“過(guò)度”的計算；盡量使用短的數據類(lèi)型，例如，盡量使用字符型的8位數據替代16位的整型數據，盡量使用分數運算而避免浮點(diǎn)數運算等。

2.4 讓I/O模塊間歇運行

　　不用的I/O模塊或間歇使用的I/O模塊要及時(shí)關(guān)掉，以節省電能。RS232的驅動(dòng)需要相當的功率，可以用單片機的一個(gè)I/O引腳來(lái)控制，在不需要通信時(shí)，將驅動(dòng)關(guān)掉。不用的I/O引腳要設置成輸出或設置成輸入，用上拉電阻拉高。因為如果引腳沒(méi)有初始化，可能會(huì )增大單片機的漏電流。特別要注意有些簡(jiǎn)單封裝的單片機沒(méi)有把個(gè)別I/O引腳引出來(lái)，對這些看不見(jiàn)的I/O引腳也不應忘記初始化。

3 結論

　　一個(gè)成功的低功耗設計應該是硬件設計和軟件設計的結合。從硬件設計開(kāi)始，就應該充分意識到一個(gè)低功耗應用的特性，選擇一款合適的單片機，通過(guò)對其特性的了解，設計系統方案；在軟件設計上，要考慮到低功耗編程的特殊性，并盡量使用單片機的低功耗模式。

　　限于篇幅，僅僅討論了低功耗設計中的一些常見(jiàn)問(wèn)題，更多的問(wèn)題只能靠設計者去實(shí)際分析和解決了。