單片機系統(tǒng)的低功耗設(shè)計策略

1、單片機系統(tǒng)的低功耗設(shè)計策略摘要：嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計需要全面分析各方面因素，統(tǒng)籌規(guī)劃。在設(shè)計之初，各個因素往往是相互制約、相互影響的，一個降低系統(tǒng)功耗的措施有時會帶來其他方面的“負效應(yīng)”。因此，降低系統(tǒng)整體功耗，需要仔細分析和計算。本文從硬件和應(yīng)用軟件設(shè)計兩個方面，闡述一個以單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計時所需考慮的一些問題。關(guān)鍵詞：低功耗設(shè)計 硬件設(shè)計 應(yīng)用軟件設(shè)計 低功耗模式在嵌入式應(yīng)用中，系統(tǒng)的功耗越來越受到人們的重視，這一點對于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)尤其明顯。降低系統(tǒng)功耗，延長電池的壽命，就是降低系統(tǒng)的運行成本。對于以單片機為核心的嵌入式應(yīng)用，系統(tǒng)功耗的最小化需要從軟、硬件設(shè)計

2、兩方面入手。隨著越來越多的嵌入式應(yīng)用使用了實時操作系統(tǒng)，如何在操作系統(tǒng)層面上降低系統(tǒng)功耗也成為一個值得關(guān)注的問題。限于篇幅，本文僅從硬件設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計兩個方面討論。1  硬件設(shè)計選用具有低功耗特性的單片機可以大大降低系統(tǒng)功耗?？梢詮墓╇婋妷?、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)時鐘設(shè)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  選用盡量簡單的CPU內(nèi)核在選擇CPU內(nèi)核時切忌一味追求性能。8位機夠用，就沒有必要選用16位機，選擇的原則應(yīng)該是“夠用就好”?，F(xiàn)在單片機的運行速度越來越快，但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個復雜的CPU集成度高、功能強，但片內(nèi)晶體管多，總漏電

3、流大，即使進入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。1.2  選擇低電壓供電的系統(tǒng)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，要歸功于半導體工藝的發(fā)展。從原來的3 m工藝到現(xiàn)在的0.25、0.18、0.13 m工藝， CMOS電路的門限電平閾值不斷降低。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)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方面。目前，單片機系統(tǒng)的電源電壓仍以5 V為主，而過去5年中，3 V供電的

4、單片機系統(tǒng)數(shù)量增加了1倍，2 V供電的系統(tǒng)也在不斷增加。再過五年，低電壓供電的單片機數(shù)量可能會超過5 V電壓供電的單片機。如此看來，供電電壓降低將是未來單片機發(fā)展的一個重要趨勢。1.3  選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)低功耗模式指的是系統(tǒng)的等待和停止模式。處于這類模式下的單片機功耗將大大小于運行模式下的功耗。過去傳統(tǒng)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(tǒng)時鐘并不停止，單片機的外圍I/O模塊也不停止工作；系統(tǒng)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(tǒng)時鐘也將停止，由外部事件

5、中斷重新啟動時鐘系統(tǒng)時鐘，進而喚醒CPU繼續(xù)工作，CPU消耗電流可降到A級。在停止模式下，CPU本身實際上已經(jīng)不消耗什么電流，要想進一步減小系統(tǒng)功耗，就要盡量將單片機的各個I/O模塊關(guān)掉。隨著I/O模塊的逐個關(guān)閉，系統(tǒng)的功耗越來越小，進入停止模式的深度也越來越深。進入深度停止模式無異于關(guān)機，這時的單片機耗電可以小于20 nA。其中特別要提示的是，片內(nèi)RAM停止供電后，RAM中存儲的數(shù)據(jù)會丟失，也就是說，喚醒CPU后要重新對系統(tǒng)作初始化。因此在讓系統(tǒng)進入深度停止狀態(tài)前，要將重要系統(tǒng)參數(shù)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

6、或IRQ中斷等。保留的I/O模塊越多，系統(tǒng)允許的喚醒中斷源也就越多。單片機的功耗將根據(jù)保留喚醒方式的不同，降至1A至幾十A之間。例如，用戶可以保留外部鍵盤中斷，保留異步串行口（SCI）接收數(shù)據(jù)中斷等來喚醒CPU。保留的喚醒方式越多，系統(tǒng)耗電也就會多一些。其他可能的喚醒方式還有實時鐘喚醒、看門狗喚醒等。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(tǒng)功耗。HCS08是8位單片機，有多個系列，各系列I/O模塊數(shù)目有所不同，但低功耗模式下的電流消耗大致相同。圖1  HCS08單片機各模式下的耗電以R系列單片機為例：在室溫

7、（25）下，不包括I/O口的負載，以2 V供電，將可編程鎖相環(huán)時鐘設(shè)為16 MHz（總線時鐘8 MHz），典型電流值為2.6 mA，當溫度升高到85時，供電電流也升高到3.6 mA；而采用3 V供電，這一組數(shù)據(jù)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（總線時鐘1 MHz）時，典型運行電流降至450 A。在等待狀態(tài)下，因時鐘并沒有停止，耗電情況和時鐘頻率有很大關(guān)系，節(jié)省的功耗有限；而進入輕度停止（stop3），以外部中斷喚醒，電流消耗在0. 5 A左右。在中度停止態(tài)（stop2），功耗可進一步降低。使用內(nèi)部1 kHz的時鐘，保持1個運行的時鐘，周期性喚醒CPU，

8、所增加的電流約為0.3 A。在深度停止態(tài)（stop1），RAM的數(shù)據(jù)也不再保留，只能通過外部復位重啟系統(tǒng)，此時的電流消耗可降到20 nA。以上數(shù)據(jù)都是在室溫下測量所得。當環(huán)境溫度升高到85時，電流消耗可能增加35倍。1.4  選擇合適的時鐘方案時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當敏感，設(shè)計者需要注意兩個方面的問題：第一是系統(tǒng)總線頻率應(yīng)當盡量低。單片機內(nèi)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開關(guān)電路，在保持輸出狀態(tài)不變時，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，輸出端為1，P晶體管導通，N晶體管截止，沒有電流流過。而實際上，由于N晶體管存在

9、一定漏電流，且隨集成度提高，管基越薄，漏電流會加大。溫度升高，CMOS翻轉(zhuǎn)閾電壓會降低，而漏電流則隨環(huán)境溫度的增高變大。在單片機運行時，開關(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，由于兩只管子的開關(guān)延遲時間不可能完全一致，在某一瞬間會有兩只管子同時導通的情況，此時電源到地之間會有一個瞬間較大的電流，這是單片機運行電流的主要來源?？梢钥闯觯\行電流幾乎是和單片機的時鐘頻率成正比的，因此盡量降低系統(tǒng)時鐘的運行頻率可以有效地降低系統(tǒng)功耗。圖2  典型的CMOS反相器第二是時鐘方案，

10、也就是是否使用鎖相環(huán)、使用外部晶振還是內(nèi)部晶振等問題。新一代的單片機，如飛思卡爾的HCS08系列單片機，片內(nèi)帶有內(nèi)部晶振，可以直接作為時鐘源。使用片內(nèi)晶振的優(yōu)點是可以省掉片外晶振，降低系統(tǒng)的硬件成本；缺點是片內(nèi)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），而且會增加系統(tǒng)的功耗。 現(xiàn)代單片機普遍采用鎖相環(huán)技術(shù)，使單片機的時鐘頻率可由程序控制。鎖相環(huán)允許用戶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，由于時鐘頻率可由程序控制，系統(tǒng)時鐘可以在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，總線頻率往往能升得很高。但是，使用鎖相環(huán)也會帶來額外的功率消耗。單就時鐘方案來講，使用外部晶振且

11、不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。2  應(yīng)用軟件方面的考慮之所以使用“應(yīng)用軟件”的說法，是為了區(qū)分于“系統(tǒng)軟件”或者“實時操作系統(tǒng)”。軟件對于一個低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時也沒有一個嚴格的標準來判斷一個軟件的低功耗特性。盡管如此，設(shè)計者仍需盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，以避免那些“看不見”的功耗損失。2.1  用“中斷”代替“查詢”一個程序使用中斷方式還是查詢方式對于一些簡單的應(yīng)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，甚至可以進入等待模式或停止模式；而查詢方式下

12、，CPU必須不停地訪問I/O寄存器，這會帶來很多額外的功耗。2.2  用“宏”代替“子程序”程序員必須清楚，讀RAM會比讀Flash帶來更大的功耗。正是因為如此，低功耗性能突出的ARM在CPU設(shè)計上僅允許一次子程序調(diào)用。因為CPU進入子程序時，會首先將當前CPU寄存器推入堆棧（RAM），在離開時又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對RAM的操作。因此，程序員可以考慮用宏定義來代替子程序調(diào)用。對于程序員，調(diào)用一個子程序還是一個宏在程序?qū)懛ㄉ喜]有什么不同，但宏會在編譯時展開，CPU只是順序執(zhí)行指令，避免了調(diào)用子程序。唯一的問題似乎是代碼量的增加。目前，單片機的片內(nèi)Flash越來越

13、大，對于一些不在乎程序代碼量大一些的應(yīng)用，這種做法無疑會降低系統(tǒng)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(jié)果預先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實時的計算，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，用以優(yōu)化查表算法）；不可避免的實時計算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過度”的計算；盡量使用短的數(shù)據(jù)類型，例如，盡量使用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量使用分數(shù)運算而避免浮點數(shù)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模塊要及時關(guān)掉，以節(jié)省電能。RS232的驅(qū)動需要相當?shù)墓β?，可以用單片機的一個I/O引腳來控制，在不需要通信時，將驅(qū)動關(guān)掉。不用的I/O引腳要設(shè)置成輸出或設(shè)置成輸入，用上拉電阻拉高。因為如果引腳沒有初始化，可能會增大單片機的漏電流。特別要注意有些簡單封裝的