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软硬兼顾 低功耗MCU设计考虑

助工
2017-07-25 03:22:15    评分

电子产品的低功耗问题经常让产品设计者头痛而又不得不面对。以单片机(MCU)为核心的系统,其功耗主要由单片机功耗和单片机外围电路功耗组成。要降低单片机系统的功耗,需要从硬件和软件两方面入手。

硬件设计考虑因素

要满足单片机系统的低功耗要求,选用具有低功耗特性的单片机可以很容易实现(例如,Siliconlaboratories设计的高速C8051F($8.5125)系列单片机)。因为具有低功耗特性的单片机可以大大降低系统功耗,这可以从单片机的供电电压、内部结构、系统时钟和低功耗模式等几方面来考察一款单片机的低功耗特性。一般来讲,用户在选择技术供应商和产品过程中,需要对下面的一些重要硬件参数进行更加深入的考量:

选择简单的CPU内核

选择CPU内核时切忌一味追求性能,以“够用就好”为原则。8位机够用,就没有必要选用16位机、32位机;单片机的运行速度越快,往往其功耗也越大。一个CPU越复杂、集成度越高、功能越强,片内晶体管越多,总漏电流也越大,即使进入STOP状态,漏电流也会变得不可忽视;而简单的CPU内核不仅功耗低,成本也低。

选择低电压供电的单片机系统

单片机系统的供电电压低,可以有效地降低其系统功耗。由于半导体制造工艺的发展,现在单片机的供电电压从5V供电降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V。供电电压低,不紧可以降低单片机的功耗,还可以降低单片机外围电路的功耗。

选择带有低功耗模式的单片机系统

低功耗模式指的是系统的Idle、Stop和Suspend等模式。处于这些模式下的功耗将远远小于正常运行下的功耗。Idle模式下,CPU停止工作,但内部系统时钟并不停止,单片机的外围I/O模块也不停止工作;系统功耗一般降低有限,相当于工作模式功耗的50%左右。

如果在CPU进入Stop模式时,将各个模拟外设关掉,这时的功耗可以降低到nA级。但是在Stop模式下,CPU被唤醒后要重新对系统作初始化,所有特殊功能寄存器的内容将被重新初始化。这在某些低功耗应用场合需要注意。

Suspend模式下,CPU、内部系统时钟停止工作,I/O模块等被悬挂起来,片内RAM中存储的数据将被保持,CPU的功耗可以降低到nA级,由唤醒事件唤醒。当CPU被唤醒后,系统不会被CPU复位,继续从进入Suspend模式的地方开始执行程序。这是一种非常理想的低功耗模式。

在硬件层面来说,对上面的这些参数进行仔细衡量是十分必要的,除此之外,选择合适的时钟方案和使用每MIPS功耗来衡量MCU的低功耗性能也是非常关键的。

应用软件考虑因素

应用软件设计对于一个低功耗系统的重要性常常被人们忽略。一个重要的原因是,软件设计上的缺陷并不像硬件那样容易发现,同时也没有一个严格的标准来判断一个软件的低功耗特性。但是设计者如果能尽量将应用的低功耗特性反映在软件中,就可以避免那些“看不见”的功耗损失:

用“中断”代替“查询”

在没有要求低功耗的场合,程序使用中断方式还是查询方式并不重要。但在要求低功耗场合,这两种方式相差甚远。使用中断方式,CPU可以什么都不做,甚至可以进入等待模式或停止模式;而查询方式下,CPU必须不停地访问I/O寄存器,这会带来很多额外的功耗。

用“宏”代替“子程序”

子程序调用的入栈出栈操作,要对RAM进行两次操作,会带来更大的功耗。宏在编译时展开,CPU按顺序执行指令。使用宏,会增加程序的代码量,但对不在乎程序代码量大的应用,使用宏无疑会降低系统的功耗。

尽量减少CPU的运算量

减少CPU的运算工作量,可以有效地降低CPU的功耗。减少CPU运算的工作可以从很多方面入手:用查表的方法替代实时的计算;不可避免的实时计算,算到精度够了就结束,避免“过度”的计算;尽量使用短的数据类型,例如,尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据,尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。

让I/O模块间歇运行

在系统运行过程中,不用的I/O模块要关掉,间歇使用的I/O模块要及时关掉,以节省电能。同时,不用的I/O引脚要设置成输出或设置成输入,用上拉电阻拉高。

总之,在单片机系统设计过程中,需要深入理解单片机低功耗的特性,并在硬件和应用软件的设计过程中充分利用单片机的低功耗特性,从而设计出符合低功耗要求的产品。



高工
2017-07-30 20:41:27    评分
2楼

低功耗的应用还是蛮广的,除了行之有效的三种低功耗模式,软件将功耗还真有待于好好研究研究


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