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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。 7 Z4 v" K" T' C& |! N4 |+ m
7 B% L- y$ y$ [% w9 ~+ N, I% y6 Z# t
硬件设计考虑因素 " J: X1 e+ Q  Z3 a& ~# ]& c
) H+ L' Z$ f+ P# c( H1 z
  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: * I2 ?8 E+ n. l& i( n3 w
0 P; c* V% C  D6 U( p* x
选择简单的CPU内核
! N% N$ f- j" n, \5 f2 k  ~: D& N
  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。
$ x% U9 c, y! @2 r" Q" F) B  R' E' @8 [$ Z$ U1 x3 K( `% U
选择低电压供电的单片机系统
* ~$ \; b8 Q; H6 W5 o: I" b. Q$ U2 ~% q. \9 x+ }* s
  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。
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选择带有低功耗模式的单片机系统 ) D% @9 \, {# U( H4 M8 y

. O) D/ m5 W% y5 b" i' n$ Q  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。
: F" w% _: R, y/ m5 Z) x6 K# a; d1 w
" U' \1 _5 A/ Y7 Z0 ]  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。 " |0 b$ s8 U. M/ G6 j+ c
1 S1 D% U. r; V- H( U) O! B; t
  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。
  X  o4 \* ?' V9 N" O4 K  `( Q: u5 b4 |( w" G: F
  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。
9 A, [# p( x8 p3 O! q. ~5 l# V2 h% E  \; n4 t. }
应用软件考虑因素
3 m: [" d4 y! `2 Y" |& n: B. j  n4 t& R1 C& c8 K
  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:
8 w8 Y% Z) `' {8 [9 H& _
' L4 I( ^( k3 V- }用“中断”代替“查询”
, D2 d% C3 w& H0 a. {7 E! A# G
0 P1 y  t+ R9 n4 B  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。
7 o) N  T( S! `/ d' u6 i1 R, |
. p! B8 b) p" o9 W用“宏”代替“子程序”
; O6 H9 n9 D- A) |1 b8 H; U% I5 R9 {7 G9 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。
/ r/ U: k% V" ~, p# q/ x
+ ^; Y  h- r, T尽量减少CPU的运算量
; h, C- |8 g" h( Q8 O. |8 i* t
; @3 q0 v+ ]8 b6 m, R7 y  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。 ' P% U( [* F  q& G2 i; n

) R9 d" `3 n6 C让I/O模块间歇运行 5 a2 C: U; c1 Q* l6 C! l
" }4 g0 y0 u, i/ O
  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。
7 c3 H7 {/ E8 y3 P* ?, A6 R) Y1 N9 V) k  ?2 @& {' f
  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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