低功耗MCU系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)考量

電子產(chǎn)品的低功耗問題經(jīng)常讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)者頭痛而又不得不面對。以單片機(jī)（MCU）為核心的系統(tǒng)，其功耗主要由單片機(jī)功耗和單片機(jī)外圍電路功耗組成。要降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，需要從硬件和軟件兩方面入手。

硬件設(shè)計(jì)考慮因素

要滿足單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗要求，選用具有低功耗特性的單片機(jī)可以很容易實(shí)現(xiàn)（例如，Silicon laboratories設(shè)計(jì)的高速C8051F系列單片機(jī)）。因?yàn)榫哂械凸奶匦缘膯纹瑱C(jī)可以大大降低系統(tǒng)功耗，這可以從單片機(jī)的供電電壓、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)時(shí)鐘和低功耗模式等幾方面來考察一款單片機(jī)的低功耗特性。一般來講，用戶在選擇技術(shù)供應(yīng)商和產(chǎn)品過程中，需要對下面的一些重要硬件參數(shù)進(jìn)行更加深入的考量：

選擇簡單的CPU內(nèi)核

選擇CPU內(nèi)核時(shí)切忌一味追求性能，以“夠用就好”為原則。8位機(jī)夠用，就沒有必要選用16位機(jī)、32位機(jī)；單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，往往其功耗也越大。一個(gè)CPU越復(fù)雜、集成度越高、功能越強(qiáng)，片內(nèi)晶體管越多，總漏電流也越大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也會(huì)變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。

選擇低電壓供電的單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)的供電

電壓低，可以有效地降低其系統(tǒng)功耗。由于半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，現(xiàn)在單片機(jī)的供電電壓從5V供電降低到3.3 V、3 V、2 V乃至1.8 V。供電電壓低，不緊可以降低單片機(jī)的功耗，還可以降低單片機(jī)外圍電路的功耗。

選擇帶有低功耗模式的單片機(jī)系統(tǒng)

低功耗模式指的是系統(tǒng)的Idle、Stop和Suspend等模式。處于這些模式下的功耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常運(yùn)行下的功耗。Idle模式下，CPU停止工作，但內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘并不停止，單片機(jī)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(dāng)于工作模式功耗的50%左右。

如果在CPU進(jìn)入Stop模式時(shí)，將各個(gè)模擬外設(shè)關(guān)掉，這時(shí)的功耗可以降低到nA級(jí)。但是在Stop模式下， CPU被喚醒后要重新對系統(tǒng)作初始化，所有特殊功能寄存器的內(nèi)容將被重新初始化。這在某些低功耗應(yīng)用場合需要注意。

Suspend模式下，CPU、內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘停止工作，I/O模塊等被懸掛起來，片內(nèi)RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將被保持，CPU的功耗可以降低到nA級(jí)，由喚醒事件喚醒。當(dāng)CPU被喚醒后，系統(tǒng)不會(huì)被CPU復(fù)位，繼續(xù)從進(jìn)入Suspend模式的地方開始執(zhí)行程序。這是一種非常理想的低功耗模式。

在硬件層面來說，對上面的這些參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)衡量是十分必要的，除此之外，選擇合適的時(shí)鐘方案和使用每MIPS功耗來衡量MCU的低功耗性能也是非常關(guān)鍵的。

應(yīng)用軟件考慮因素

應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)對于一個(gè)低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個(gè)重要的原因是，軟件設(shè)計(jì)上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也沒有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷一個(gè)軟件的低功耗特性。但是設(shè)計(jì)者如果能盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失：

用“中斷”代替“查詢”

在沒有要求低功耗的場合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場合，這兩種方式相差甚遠(yuǎn)。使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I/O寄存器，這會(huì)帶來很多額外的功耗。

用“宏”代替“子程序”

子程序調(diào)用的入棧出棧操作，要對RAM進(jìn)行兩次操作，會(huì)帶來更大的功耗。宏在編譯時(shí)展開，CPU按順序執(zhí)行指令。使用宏，會(huì)增加程序的代碼量，但對不在乎程序代碼量大的應(yīng)用，使用宏無疑會(huì)降低系統(tǒng)的功耗。

盡量減少CPU的運(yùn)算量

減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。減少CPU運(yùn)算的工作可以從很多方面入手：用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算；不可避免的實(shí)時(shí)計(jì)算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過度”的計(jì)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?jǐn)?shù)運(yùn)算而避免浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等。

讓I/O模塊間歇運(yùn)行

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不用的I/O模塊要關(guān)掉，間歇使用的I/O模塊要及時(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能。同時(shí)，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。

總之，在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要深入理解單片機(jī)低功耗的特性，并在硬件和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)過程中充分利用單片機(jī)的低功耗特性，從而設(shè)計(jì)出符合低功耗要求的產(chǎn)品。