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低功耗MCU系统软硬件设计考虑

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发表于 2018-10-12 15:07 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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 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。 2 i& X9 X" \* `) D4 U

; u' J1 S& F0 a/ Q硬件设计考虑因素
3 Q3 M8 a4 k; J5 h3 h& |: U
8 _  h9 J8 r+ b- {: x( r+ h+ Q  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,Silicon laboratories设计的高速C8051F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: 0 n3 s, t6 t6 M9 E9 Y9 ]3 K/ s2 c

, E* g0 K" a' @; n# E" U选择简单的CPU内核 4 C5 {/ T  [4 `" D
2 f9 G5 L, T/ q$ G2 m
  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。 0 T' ?2 x  M6 J: }7 I3 V7 V/ ~% Y

& G% K2 b4 b- h, B选择低电压供电的单片机系统
) j4 _+ E+ I9 N! z
- v: T# R! }  u% f6 R/ Q  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3.3 V、3 V、2 V乃至1.8 V。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。
& R' W- [6 r% Y2 ]3 n6 z" e7 Q/ i5 j) [( `# s6 |
选择带有低功耗模式的单片机系统
+ Z  b8 q! l9 I; @6 u" K: u* C/ J! C! y( H( k
  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。
6 ?- I7 W- `" g# q3 N  q
& Q2 M  D' e; h3 w4 k  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。
5 p" i/ v" t( [8 H3 |) H4 Z1 Q% f' K& I: n9 O: a8 |. p
  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。 6 p0 b$ M$ z8 O& A% f+ [; Z, P8 e, s
5 D1 F* v8 `7 l& O) b9 v% w
  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。 / V$ a! i' d4 _& n  s
! `. u: ~# e- r. B, [
应用软件考虑因素 # L4 S3 m* ]  K" E

' W7 z3 Z# V, G) q  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: ) C- A9 c6 w% i- E8 l

# E6 Q7 n  Y" @7 O% O8 L8 ^用“中断”代替“查询”
6 i! N3 F9 Y7 w- X2 p
0 v' w, H: y1 q  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。 " Y+ x' h" K# m3 V6 v5 t. w

! v4 c( {1 W# |# p0 b* ^0 L& ]用“宏”代替“子程序” 3 R; a* I0 F( k# m* A) E

. v1 j: v2 n- y4 t( {6 f3 I  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。
; [, z8 x# u/ W1 w' Z2 a5 i& U3 ]. g" m; |: d& @6 w2 w9 O
尽量减少CPU的运算量
5 Y3 ?3 M( q# I
- W4 H0 v4 s. N' Q$ U3 z. w5 P& H  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。
4 h1 x$ K5 {$ o2 K8 L' x3 U8 w# o2 U# j: p8 L% s6 J' G
让I/O模块间歇运行
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# k' Z3 @+ r% I, j' x" b+ t& [  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。 4 D7 u& m$ U. G/ I. ]

; u" p) m' y+ G2 ^6 |8 A  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。
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