低功耗MCU動態(tài)時鐘分析與應(yīng)用
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1 功耗產(chǎn)生的原因
在CMOS電路中，功耗損失主要包括靜態(tài)功耗損失和動態(tài)功耗損失兩部分。其中靜態(tài)功耗主要是由反偏PN結(jié)的漏電流和晶體管的亞閾值電流引起的，其最主要的形式就是漏電損失。其實CMOS電路理論上不會有靜電功耗損失，因為從供應(yīng)電源到地面沒有直接的路徑，但實際上晶體管總會有漏電電流的出現(xiàn)，從而出現(xiàn)漏電損失。在0.18μm工藝水平之下，其在功耗中所占比重大約為5％～10％，一般可以忽略（但是隨著工藝的提高，供電電壓的降低，又使其所占比重逐漸上升）。這樣，在CMOS電路中，動態(tài)功耗就成了這個系統(tǒng)功耗的主要組成部分，約占整體功耗的90％以上。定量地分析電路的動態(tài)功耗，可用以下公式表示：
其中：C為負(fù)載電容；VDD為電源電壓；?琢為翻轉(zhuǎn)幾率，即每個時鐘周期中發(fā)生的充放電周期個數(shù)；fCLK為時鐘頻率。從這個公式可以看到如何降低動態(tài)功耗從而降低整個CMOS電路的功耗。即可以減小翻轉(zhuǎn)的負(fù)載電容，降低電源電壓，減小節(jié)點的翻轉(zhuǎn)幾率，或者降低時鐘頻率。本文將主要圍繞如何動態(tài)降低時鐘頻率實現(xiàn)低功耗設(shè)計。
2 動態(tài)時鐘低功耗管理原理
MCU系統(tǒng)設(shè)計是個很復(fù)雜的過程，在一些條件下可能會用到整個系統(tǒng)的所有硬件資源，但是在一些應(yīng)用中可能只需要其中很少的一部分硬件資源；在某些應(yīng)用中可能需要很高的時鐘頻率，而在其他應(yīng)用中卻可以工作在很低的工作頻率中。例如：當(dāng)任務(wù)量很大時，MCU滿負(fù)荷工作，則需要較高的時鐘頻率，功耗較大；當(dāng)任務(wù)量很小時，MCU負(fù)荷較輕，所需時鐘頻率較低，功耗就可以相應(yīng)降低。動態(tài)配置系統(tǒng)的時鐘頻率就是以不犧牲系統(tǒng)的性能為前提，動態(tài)地管理系統(tǒng)的工作頻率來降低MCU的功耗。
3 低功耗動態(tài)時鐘實現(xiàn)
圖1為MSP430系列MCU基礎(chǔ)時鐘模塊。
MSP430基礎(chǔ)時鐘模塊包含以下3個時鐘輸入源。
(1)LFXT1CLK 低頻時鐘源：由LFXT1振蕩器產(chǎn)生(如圖2所示)。通過軟件將狀態(tài)寄存器中OSCOff復(fù)位后，LFXT1開始工作，即系統(tǒng)采用低頻工作。如果LFXT1CLK沒有用作SMCLK或MCLK信號，則可以用軟件將OSCOff置位，禁止LFXT1工作。
(2)XT2CLK高頻時鐘源：由XT2振蕩器產(chǎn)生。它產(chǎn)生時鐘信號XT2CLK，其工作特性與LFXT1振蕩器工作在高頻模式時類似?？珊唵蔚赝ㄟ^軟件設(shè)置XT2振蕩器是否工作，當(dāng)XT2CLK沒有用作SMCLK或MCLK信號時，關(guān)閉XT2，選擇其他時鐘源。
(3)DCOCLK 數(shù)字控制RC振蕩器。由集成在時鐘模塊中的DCO振蕩器產(chǎn)生。DCO振蕩器是一個RC振蕩器，頻率可以通過軟件調(diào)節(jié)，其控制邏輯如圖3所示。當(dāng)振蕩器LFXT1、XT2被禁止或失效時，DCO振蕩器被自動選作MCLK的時鐘源。因此由振蕩器失效引起的系統(tǒng)中斷請求可以得到響應(yīng)，甚至在CPU關(guān)閉的情況下也能得到處理。
由基礎(chǔ)時鐘模塊可以提供系統(tǒng)所需的3種時鐘信號，即：ACLK、MCLK、SMCLK。其中輔助時鐘ACLK是LFXT1CLK信號經(jīng)1、2、4、8分頻后得到的。ACLK可由軟件選作各個外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設(shè)；系統(tǒng)主時鐘MCLK可由軟件選擇來自LFXT1CLK、XT2CLK、DCOCLK三者之一，然后經(jīng)1、2、4、8分頻得到。MCLK主要用于CPU和系統(tǒng)。子系統(tǒng)時鐘SMCLK可由軟件選擇來自LFXT1CLK和DCOCLK，或者XT2CLK和DCOCLK，然后經(jīng)1、2、4、8分頻得到，主要用于高速外設(shè)模塊。系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要通過軟件來選擇合適的系統(tǒng)時鐘頻率，這三種不同頻率的時鐘輸出給不同的模塊，從而合理利用系統(tǒng)的電源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的超低功耗，這一點對于電池供電的系統(tǒng)來講至關(guān)重要。在具體應(yīng)用中，CPU及各個時鐘源的工作狀態(tài)如表1。
4 動態(tài)時鐘應(yīng)用實例
通過MSP430外接32768Hz晶體構(gòu)建超低功耗實時時鐘，結(jié)構(gòu)如圖4。
部分代碼如下：
setc
Dadc.b SEC
cmp.b #060h，SEC
jlo CLKend
clr.b SEC
dadc.b MIN
cmp.b #060h，MIN
jlo CLKend
clr.b MIN
CLKend；
令MSP430 CPU工作在突發(fā)狀態(tài)，大部分時間處于LMP3狀態(tài)，只有程序代碼中單位時間到之后，才出發(fā)一個極短暫的運行，運行期間電流消耗250?滋A左右。經(jīng)計算指令執(zhí)行時間得到，在1s時間段內(nèi)程序運行時間僅為100μs，系統(tǒng)平均電流約為0.83μA，可見其工作功耗相當(dāng)?shù)汀?BR>
本文通過分析MSP430系列MCU的動態(tài)時鐘配置，介紹了通過動態(tài)改變MCU系統(tǒng)時鐘來達(dá)到低功耗設(shè)計。在實際應(yīng)用中，通過軟件設(shè)置合理地使用時鐘源，可以有效實現(xiàn)低功耗設(shè)計。
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