單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計的策略
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隨著越來越多的嵌入式應(yīng)用使用了實(shí)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(guān)注的問題。限于篇幅，本文僅從硬件設(shè)計和應(yīng)用軟件設(shè)計兩個方面討論。
1 硬件設(shè)計
選用具有低功耗特性的單片機(jī)可以大大降低系統(tǒng)功耗?？梢詮墓╇婋妷骸纹瑱C(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)時鐘設(shè)計和低功耗模式等幾方面考察一款單片機(jī)的低功耗特性。
1.1 選用盡量簡單的CPU內(nèi)核
在選擇CPU內(nèi)核時切忌一味追求性能。8位機(jī)夠用，就沒有必要選用16位機(jī)，選擇的原則應(yīng)該是“夠用就好”?，F(xiàn)在單片機(jī)的運(yùn)行速度越來越快，但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個復(fù)雜的CPU集成度高、功能強(qiáng)，但片內(nèi)晶體管多，總漏電流大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。
1.2 選擇低電壓供電的系統(tǒng)
降低單片機(jī)的供電電壓可以有效地降低其功耗。當(dāng)前，單片機(jī)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?dú)w功于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。從原來的3 μm工藝到現(xiàn)在的0.25、0.18、0.13 μm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)的工作電流，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(jī)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(jī)系統(tǒng)數(shù)量增加了1倍，2 V供電的系統(tǒng)也在不斷增加。再過五年，低電壓供電的單片機(jī)數(shù)量可能會超過5 V電壓供電的單片機(jī)。如此看來，供電電壓降低將是未來單片機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢。
1.3 選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)
低功耗模式指的是系統(tǒng)的等待和停止模式。處于這類模式下的單片機(jī)功耗將大大小于運(yùn)行模式下的功耗。過去傳統(tǒng)的單片機(jī)，在運(yùn)行模式下有wait和stop兩條指令，可以使單片機(jī)進(jìn)入等待或停止?fàn)顟B(tài)，以達(dá)到省電的目的。
等待模式下，CPU停止工作，但系統(tǒng)時鐘并不停止，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)于工作模式的50%～70%。
停止模式下，系統(tǒng)時鐘也將停止，由外部事件中斷重新啟動時鐘系統(tǒng)時鐘，進(jìn)而喚醒CPU繼續(xù)工作，CPU消耗電流可降到μA級。在停止模式下，CPU本身實(shí)際上已經(jīng)不消耗什么電流，要想進(jìn)一步減小系統(tǒng)功耗，就要盡量將單片機(jī)的各個I/O模塊關(guān)掉。隨著I/O模塊的逐個關(guān)閉，系統(tǒng)的功耗越來越小，進(jìn)入停止模式的深度也越來越深。進(jìn)入深度停止模式無異于關(guān)機(jī)，這時的單片機(jī)耗電可以小于20 nA。其中特別要提示的是，片內(nèi)RAM停止供電后，RAM中存儲的數(shù)據(jù)會丟失，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(jìn)入深度停止?fàn)顟B(tài)前，要將重要系統(tǒng)參數(shù)保存在非易失性存儲器中，如EEPROM中。深度停止模式關(guān)掉了所有的I/O，可能的喚醒方式也很有限，一般只能是復(fù)位或IRQ中斷等。
保留的I/O模塊越多，系統(tǒng)允許的喚醒中斷源也就越多。單片機(jī)的功耗將根據(jù)保留喚醒方式的不同，降至1μA至幾十μA之間。例如，用戶可以保留外部鍵盤中斷，保留異步串行口（SCI）接收數(shù)據(jù)中斷等來喚醒CPU。保留的喚醒方式越多，系統(tǒng)耗電也就會多一些。其他可能的喚醒方式還有實(shí)時鐘喚醒、看門狗喚醒等。停機(jī)狀態(tài)較淺的情況下，外部晶振電路還是工作的。
圖1以Freescale的HCS08單片機(jī)為例，給出不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)功耗。HCS08是8位單片機(jī)，有多個系列，各系列I/O模塊數(shù)目有所不同，但低功耗模式下的電流消耗大致相同。
圖1 HCS08單片機(jī)各模式下的耗電
以R系列單片機(jī)為例：在室溫（25℃）下，不包括I/O口的負(fù)載，以2 V供電，將可編程鎖相環(huán)時鐘設(shè)為16 MHz（總線時鐘8 MHz），典型電流值為2.6 mA，當(dāng)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，直接使用外部晶振2 MHz（總線時鐘1 MHz）時，典型運(yùn)行電流降至450 μA。在等待狀態(tài)下，因時鐘并沒有停止，耗電情況和時鐘頻率有很大關(guān)系，節(jié)省的功耗有限；而進(jìn)入輕度停止（stop3），以外部中斷喚醒，電流消耗在0. 5 μA左右。在中度停止態(tài)（stop2），功耗可進(jìn)一步降低。使用內(nèi)部1 kHz的時鐘，保持1個運(yùn)行的時鐘，周期性喚醒CPU，所增加的電流約為0.3 μA。在深度停止態(tài)（stop1），RAM的數(shù)據(jù)也不再保留，只能通過外部復(fù)位重啟系統(tǒng)，此時的電流消耗可降到20 nA。以上數(shù)據(jù)都是在室溫下測量所得。當(dāng)環(huán)境溫度升高到85℃時，電流消耗可能增加3～5倍。
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