單片機系統(tǒng)的低功耗設計策略

1、.：.；單片機系統(tǒng)的低功耗設計戰(zhàn)略摘要：嵌入式系統(tǒng)的低功耗設計需求全面分析各方面要素，統(tǒng)籌規(guī)劃。在設計之初，各個要素往往是相互制約、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。因此，降低系統(tǒng)整體功耗，需求仔細分析和計算。本文從硬件和運用軟件設計兩個方面，論述一個以單片機為中心的嵌入式系統(tǒng)低功耗設計時所需思索的一些問題。關鍵詞：低功耗設計 硬件設計 運用軟件設計 低功耗方式在嵌入式運用中，系統(tǒng)的功耗越來越遭到人們的注重，這一點對于需求電池供電的便攜式系統(tǒng)尤其明顯。降低系統(tǒng)功耗，延伸電池的壽命，就是降低系統(tǒng)的運轉本錢。對于以單片機為中心的嵌入式運用，系統(tǒng)功耗的最小化需求從軟、硬

2、件設計兩方面入手。隨著越來越多的嵌入式運用運用了實時操作系統(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注的問題。限于篇幅，本文僅從硬件設計和運用軟件設計兩個方面討論。1 硬件設計選器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╇婋妷骸纹瑱C內部構造設計、系統(tǒng)時鐘設計和低功耗方式等幾方面調查一款單片機的低功耗特性。1.1 選用盡量簡單的CPU內核在選擇CPU內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，選擇的原那么應該是“夠用就好。如今單片機的運轉速度越來越快，但性能的提升往往帶來功耗的添加。一個復雜的CPU集成度高、功能強，但片內晶體管多，總漏電流大，即使進入ST

3、OP形狀，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內核不僅功耗低，本錢也低。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開展。從原來的3 m工藝到如今的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)的任務電流，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供電的單片機系統(tǒng)數(shù)量添加了1倍，2

4、V供電的系統(tǒng)也在不斷添加。再過五年，低電壓供電的單片機數(shù)量能夠會超越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開展的一個重要趨勢。1.3 選擇帶有低功耗方式的系統(tǒng)低功耗方式指的是系統(tǒng)的等待和停頓方式。處于這類方式下的單片機功耗將大大小于運轉方式下的功耗。過去傳統(tǒng)的單片機，在運轉方式下有wait和stop兩條指令，可以使單片機進入等待或停頓形狀，以到達省電的目的。等待方式下，CPU停頓任務，但系統(tǒng)時鐘并不停頓，單片機的外圍I/O模塊也不停頓任務；系統(tǒng)功耗普通降低有限，相當于任務方式的50%70%。停頓方式下，系統(tǒng)時鐘也將停頓，由外部事件中斷重新啟動時鐘系統(tǒng)時鐘，進而喚醒CPU繼

5、續(xù)任務，CPU耗費電流可降到A級。在停頓方式下，CPU本身實踐上曾經(jīng)不耗費什么電流，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模塊關掉。隨著I/O模塊的逐個封鎖，系統(tǒng)的功耗越來越小，進入停頓方式的深度也越來越深。進入深度停頓方式無異于關機，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RAM停頓供電后，RAM中存儲的數(shù)據(jù)會喪失，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)進入深度停頓形狀前，要將重要系統(tǒng)參數(shù)保管在非易失性存儲器中，如EEPROM中。深度停頓方式關掉了一切的I/O，能夠的喚醒方式也很有限，普通只能是復位或IRQ中斷等。保管的I/O模塊越多，系統(tǒng)

6、允許的喚醒中斷源也就越多。單片機的功耗將根據(jù)保管喚醒方式的不同，降至1A至幾十A之間。例如，用戶可以保管外部鍵盤中斷，保管異步串行口SCI接納數(shù)據(jù)中斷等來喚醒CPU。保管的喚醒方式越多，系統(tǒng)耗電也就會多一些。其他能夠的喚醒方式還有實時鐘喚醒、看門狗喚醒等。停機形狀較淺的情況下，外部晶振電路還是任務的。圖1以Freescale的HCS08單片機為例，給出不同運轉方式下的系統(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，但低功耗方式下的電流耗費大致一樣。圖1 HCS08單片機各方式下的耗電以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)

7、時鐘設為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，直接運用外部晶振2 MHz總線時鐘1 MHz時，典型運轉電流降至450 A。在等待形狀下，因時鐘并沒有停頓，耗電情況和時鐘頻率有很大關系，節(jié)省的功耗有限；而進入輕度停頓stop3，以外部中斷喚醒，電流耗費在0. 5 A左右。在中度停頓態(tài)stop2，功耗可進一步降低。運用內部1 kHz的時鐘，堅持1個運轉的時鐘，周期性喚醒CPU，所添加的電流約為0.3 A。在深度停頓態(tài)stop1，RAM的數(shù)據(jù)也不再保管，只

8、能經(jīng)過外部復位重啟系統(tǒng)，此時的電流耗費可降到20 nA。以上數(shù)據(jù)都是在室溫下丈量所得。當環(huán)境溫度升高到85時，電流耗費能夠添加35倍。1.4 選擇適宜的時鐘方案時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當敏感，設計者需求留意兩個方面的問題：第一是系統(tǒng)總線頻率該當盡量低。單片機內部的總電流耗費可分為兩部分運轉電流和漏電流。理想的CMOS開關電路，在堅持輸出形狀不變時，是不耗費功率的。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。而實踐上，由于N晶體管存在一定漏電流，且隨集成度提高，管基越薄，漏電流會加大。溫度升高，CMOS翻轉閾電壓會降低，而漏電

9、流那么隨環(huán)境溫度的增高變大。在單片機運轉時，開關電路不斷由“1變“0、由“0變“1，耗費的功率是由單片機運轉引起的，我們稱之為“運轉電流。如圖2所示，在兩只晶體管相互變換導通、截止形狀時，由于兩雖然子的開關延遲時間不能夠完全一致，在某一瞬間會有兩雖然子同時導通的情況，此時電源到地之間會有一個瞬間較大的電流，這是單片機運轉電流的主要來源?？梢钥闯觯\轉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)時鐘的運轉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，也就是能否運用鎖相環(huán)、運用外部晶振還是內部晶振等問題。新一代的單片機，如飛思卡爾的HCS08系列單片機，片內帶有內

10、部晶振，可以直接作為時鐘源。運用片內晶振的優(yōu)點是可以省掉片外晶振，降低系統(tǒng)的硬件本錢；缺陷是片內晶振的精度不高誤差普通在25%左右，即使校準之后也能夠有2%的相對誤差，而且會添加系統(tǒng)的功耗。 現(xiàn)代單片機普遍采用鎖相環(huán)技術，使單片機的時鐘頻率可由程序控制。鎖相環(huán)允許用戶在片外運用頻率較低的晶振，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調整，總線頻率往往能升得很高。但是，運用鎖相環(huán)也會帶來額外的功率耗費。單就時鐘方案來講，運用外部晶振且不運用鎖相環(huán)是功率耗費最小的一種。2 運用軟件方面的思索之所以運用“運用軟件的說法，是為了區(qū)分于“系統(tǒng)軟件或者“實時操

11、作系統(tǒng)。軟件對于一個低功耗系統(tǒng)的重要性經(jīng)常被人們忽略。一個重要的緣由是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時也沒有一個嚴厲的規(guī)范來判別一個軟件的低功耗特性。雖然如此，設計者仍需盡量將運用的低功耗特性反映在軟件中，以防止那些“看不見的功耗損失。2.1 用“中斷替代“查詢一個程序運用中斷方式還是查詢方式對于一些簡單的運用并不那么重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠。運用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進入等待方式或停頓方式；而查詢方式下，CPU必需不停地訪問I/O存放器，這會帶來很多額外的功耗。2.2 用“宏替代“子程序程序員必需清楚，讀RAM會比讀Flash帶來更大的功耗。正是由于如此

12、，低功耗性能突出的ARM在CPU設計上僅允許一次子程序調用。由于CPU進入子程序時，會首先將當前CPU存放器推入堆棧RAM，在分開時又將CPU存放器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對RAM的操作。因此，程序員可以思索用宏定義來替代子程序調用。對于程序員，調用一個子程序還是一個宏在程序寫法上并沒有什么不同，但宏會在編譯時展開，CPU只是順序執(zhí)行指令，防止了調用子程序。獨一的問題似乎是代碼量的添加。目前，單片機的片內Flash越來越大，對于一些不在乎程序代碼量大一些的運用，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運算的任務可以從很多方面入手：將一些運算的結果預先算好，放在F

13、lash中，用查表的方法替代實時的計算，減少CPU的運算任務量，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；不可防止的實時計算，算到精度夠了就終了，防止“過度的計算；盡量運用短的數(shù)據(jù)類型，例如，盡量運用字符型的8位數(shù)據(jù)替代16位的整型數(shù)據(jù)，盡量運用分數(shù)運算而防止浮點數(shù)運算等。2.4 讓I/O模塊間歇運轉不用的I/O模塊或間歇運用的I/O模塊要及時關掉，以節(jié)省電能。RS232的驅動需求相當?shù)墓β?，可以用單片機的一個I/O引腳來控制，在不需求通訊時，將驅動關掉。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。由于假設引腳沒有初始化，能夠會增大單片機的漏電流。特別要留意有些簡單封裝