如何實(shí)現(xiàn)有效的MCU設(shè)計(jì)

微控制器被用作幾乎每個應(yīng)用可以想象在主控制元件。他們的權(quán)力和靈活性，讓他們?nèi)サ浇M件的大多數(shù)設(shè)計(jì)的心臟。關(guān)鍵要建立高效的設(shè)計(jì)中使用的MCU往往依賴于使功耗和性能之間的智能權(quán)衡。許多MCU提供了幾個選項(xiàng)，可以限制MCU時(shí)鐘速率，因此，其性能的MCU供電。了解工作電壓和工作時(shí)鐘速率之間的公共關(guān)系可以是如何充分利用你的下一個MCU設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文將快速回顧一下一些常見的選項(xiàng)供電MCU和討論履行很可能導(dǎo)致所產(chǎn)生的制約。修改工作電壓在運(yùn)行時(shí)獲得的性能和能效的最佳組合常用的技術(shù)進(jìn)行探討，以幫助您選擇和實(shí)施你的下一個基于MCU的設(shè)計(jì)。

頻率與工作電壓 - 一個關(guān)鍵的性能考慮

一個性能和功耗之間的最根本的關(guān)系是MCU工作時(shí)的電壓。工作電源直接關(guān)系到工作電壓(由定義，因?yàn)楣β实扔陔妷撼艘噪娏?，如此清晰的動作電力需求上，你會用你的設(shè)計(jì)的MCU決定何時(shí)是一個關(guān)鍵的考慮因素。你可能會認(rèn)為，這意味著你應(yīng)該總是使用最低的功耗MCU，但是如果性能是設(shè)計(jì)中的所有問題，您將需要考慮工作頻率為關(guān)鍵要素，以及，一個MCU的工作頻率經(jīng)常被限制其工作電壓。許多的MCU廠家明白的工作電壓，工作頻率，MCU性能，和MCU操作功率之間的關(guān)系的重要性，并且它們提供不同級別的操作功率和工作頻率，以便更容易對設(shè)計(jì)的最佳擬合優(yōu)化到系統(tǒng)要求。作為一個例子，瑞薩RL78 MCU有四種不同的工作電壓范圍，每一個都支持不同的操作頻率，如下面的圖1。在1.6 V和1.8 V時(shí)，RL78可在1 MHz和4 MHz之間的任何地方運(yùn)行。間2.7 V和5.5 V時(shí)，可以在最多20兆赫運(yùn)行。因此，RL78可以操作快五倍，如果它使用2.7 V代替1.8伏，在工作電源電壓只增加了50%。

圖1：電壓與頻率圖瑞薩RL78 MCU。

改善電源效率的上述關(guān)系時(shí)，在更高的電壓下工作是常見于許多MCU，并了解在電源效率是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要求是最重要的關(guān)系之一。在許多情況下，它更省電，以保持在盡可能低的功耗狀態(tài)的MCU，也許是一個低的睡眠模式，當(dāng)它需要做一些處理(也許采樣傳感器是否采取進(jìn)一步的行動，看其喚醒需要采取)。當(dāng)需要處理它通常更省電以更快的頻率下運(yùn)行，以盡量減少在較高功率狀態(tài)的時(shí)間。如果處理可以做到5倍的速度，并只需一個操作功率增加50%，(如在RL78的情況下)，可以清楚地看到，所要求的總能量會少得多，因此這將是一個更節(jié)能的設(shè)計(jì)。

時(shí)鐘控制的MCU操作的頻率是由一個時(shí)鐘控制塊管理;和許多時(shí)鐘控制塊具有的功能，可用于選擇，控制和管理的時(shí)鐘源的CPU，內(nèi)存，外圍設(shè)備，和模擬模塊。通過控制時(shí)鐘頻率，以這些塊，甚至關(guān)閉的時(shí)鐘功能沒有被在特定處理例程使用的動態(tài)電流的量(所需的電流來改變一個信號或存儲元件的電壓電平)可以被調(diào)制，以便您使用的電流以最有效的方式。 (注意，基于電池的應(yīng)用，特別，是最新的意識的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗菑碾姵赝ǔＪ亲铌P(guān)鍵的約束所提供的總電流)。許多最常見的和有用的時(shí)鐘控制功能包含在 Microchip的PIC32MX單片機(jī)的時(shí)鐘控制塊，對于大多數(shù)時(shí)鐘控制模塊示于圖2的出發(fā)點(diǎn)是時(shí)鐘源，并且通過具有多個源它使得有可能獨(dú)立地優(yōu)化的時(shí)鐘為多個模塊。

例如，PIC32MX具有低功耗內(nèi)部RC振蕩器(LPRC圖2的底部附近)，可以當(dāng)極低速操作是可接受的被使用。它可以提供看門狗定時(shí)器(WDT)，這樣即使在非常低功耗模式這一關(guān)鍵計(jì)時(shí)器仍然可以使用。主振蕩器(POSC)使用一個外部晶體，以產(chǎn)生由該裝置的性能最高的部分的精確高速時(shí)鐘源的使用，并將該系統(tǒng)和USB鎖相環(huán)(在圖的頂部)。需要注意的是獨(dú)立的PLL也意味著USB操作可以獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘，提供優(yōu)化的時(shí)鐘和潛在的節(jié)省功耗的級別?？焖? RC振蕩器(FRC)規(guī)定如果不需要外部振蕩器8 MHz的時(shí)鐘源，當(dāng)不需要的最高頻率和精度節(jié)省電路板空間，元件數(shù)量，或許省電。最后，輔助振蕩器可用于低功耗工作由外部32 kHz晶振。

圖2：在Microchip的PIC32MX1XX家庭時(shí)鐘控制模塊。

這財(cái)富時(shí)鐘源可以選擇和通過后的定標(biāo)器，預(yù)定標(biāo)器，和兩個主要的PLL來產(chǎn)生所需的裝置的各種子部分的頻率進(jìn)一步劃分。由16塊固定鴻溝和可選擇的 FRC 后scale分頻器(由FRCDIV輸入控制)創(chuàng)建CPU和外設(shè)(SYSCLK)主時(shí)鐘。外設(shè)時(shí)鐘可以通過附加的后分頻器被進(jìn)一步劃分為優(yōu)化外設(shè)時(shí)鐘速度，最大限度地減少在這些函數(shù)生成的動態(tài)電流。許多在圖2所示的時(shí)鐘選項(xiàng)可以通過配置寄存器來控制或根據(jù)所需由編程的性能水平被自動選擇。現(xiàn)代的MCU更容易操作，甚至通過簡單的應(yīng)用程序接口(API)調(diào)用，簡化和減少潛在沖突配置這些塊時(shí)“的手。”你看這些API的MCU廠商的文獻(xiàn)，軟件是最復(fù)雜的時(shí)鐘管理器工具 - 根據(jù)配置向?qū)?，代碼示例和參考設(shè)計(jì)，以簡化設(shè)計(jì)過程。

閃存的性能和時(shí)鐘頻率

在選擇的MCU時(shí)經(jīng)常被忽視的一個領(lǐng)域是代碼閃速存儲器的性能。一些MCU都有快速CPU周期時(shí)間，但這些快速的操作速度可以通過代碼或存儲在閃速存儲器中的數(shù)據(jù)的訪問時(shí)間的限制。例如，在愛特梅爾AT32UC MCU閃光周期時(shí)間與工作頻率，如下面的圖3。當(dāng)在33兆赫和由此所讀訪問時(shí)間只需要一個周期的閃光等待狀態(tài)(FWS)的數(shù)目是零。在66兆赫工作頻率快速存儲器插入FWS，所以存取時(shí)間需要兩個周期。因此，你可能希望最后得到33 MHz的有效工作頻率，具有66 MHz的時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)也是如此。 MCU制造商已經(jīng)開發(fā)出多種方法卻減輕了等待狀態(tài)插入，這樣你通常支付比全開銷要少得多。

圖3：閃存等待狀態(tài)愛特梅爾AVR MCU AT32UC。

以減輕閃存等待狀態(tài)是管道中的閃存接口，這是愛特梅爾AT32UC MCU所采??取的辦法。這種流水線方式允許突發(fā)來自連續(xù)存儲位置讀取(通過代碼存儲器訪問到目前為止，絕大多數(shù)都是連續(xù)的，因?yàn)槟阃ǔＶ怀掷m(xù)到下一個指令)不讀罰款。這導(dǎo)致只有15%在有效時(shí)間周期的平均開銷，不是完整的100%，否則你可能期望。以減輕慢速閃光訪問另一種常見的方法是使用本地存儲器緩存以便反復(fù)訪問可以使用已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)，并且不要求完全讀較慢閃存塊。你應(yīng)該總是仔細(xì)看看閃存存取和整體處理性能之間的相互作用在您的設(shè)計(jì)，以確定影響你的選擇的時(shí)鐘速度將對整體處理性能。