Silabs MCU低功耗優(yōu)勢(shì)及其實(shí)現(xiàn)方法

　　引言

　　現(xiàn)在的電子產(chǎn)品，對(duì)低功耗的要求越來(lái)越高。產(chǎn)品功耗的問(wèn)題是經(jīng)常讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)者頭痛而又不得不面對(duì)的一個(gè)問(wèn)題。以單片機(jī)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。美國(guó)Silicon Laboratories公司(Silabs)設(shè)計(jì)的高速C8051F系列單片機(jī)是一種高度集成的SoC型芯片，兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)內(nèi)核和指令系統(tǒng)，但其各方面的性能都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)的8051單片機(jī)。C8051F系列單片機(jī)中增加的外設(shè)或功能部件有：模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、SMBus(I2C)、增強(qiáng)型UART、SPI、可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列(PCA)、電源監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)和時(shí)鐘振蕩器等。另外還有片上的FLASH程序存儲(chǔ)器和RAM。特別是在低功耗設(shè)計(jì)方面，提供了多種低功耗模式供用戶(hù)選擇，方便客戶(hù)設(shè)計(jì)出不同低功耗要求的產(chǎn)品。

　　本文將從以下三個(gè)方面來(lái)談Silabs MCU低功耗優(yōu)勢(shì)及其實(shí)現(xiàn)方法：

　　·如何設(shè)計(jì)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)；

　　·Silabs MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)；

　　·Silabs MCU低功耗實(shí)現(xiàn)方法。
 
　　如何設(shè)計(jì)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)

　　低功耗單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要從硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)兩方面入手。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　要滿(mǎn)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)。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(lái)考察一款單片機(jī)的低功耗特性。

　　·選擇簡(jiǎn)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(méi)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(jiǎn)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，可以有效的降低其系統(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。

　　Stop模式下，CPU和內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘停止工作，所有的數(shù)字外設(shè)也自動(dòng)停止工作，內(nèi)部RAM的信息以最小功耗被保持，CPU消耗電流可降到μA級(jí)，由外部或內(nèi)部的復(fù)位使系統(tǒng)退出Stop模式，進(jìn)而喚醒CPU繼續(xù)工作。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(duì)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(chǎng)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(lái)，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(kāi)始執(zhí)行程序。這是一種非常理想的低功耗模式。

　　·選擇合適的時(shí)鐘方案

　　時(shí)鐘的選擇對(duì)于系統(tǒng)的功耗相當(dāng)敏感，需要注意三方面的問(wèn)題：

　　A)系統(tǒng)總線(xiàn)頻率應(yīng)當(dāng)盡量低

　　單片機(jī)內(nèi)部的總電流消耗可分為運(yùn)行電流和漏電流兩部份。單片機(jī)集成度越高，環(huán)境溫度越高，漏電流也越大。在單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)電路不斷地由“1”變“0”、由“0”變“1”，內(nèi)部電容不停地充放電，這些都是單片機(jī)運(yùn)行時(shí)電流的主要來(lái)源。要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電路快速關(guān)斷和電容的快速充放電，需要比較大的電流。運(yùn)行電流幾乎是和單片機(jī)的時(shí)鐘頻率成正比的，因此盡量降低系統(tǒng)時(shí)鐘的運(yùn)行頻率可以有效地降低系統(tǒng)功耗。

　　B)選擇適合低功耗的單時(shí)鐘方案

　　單片機(jī)時(shí)鐘是使用鎖相環(huán)、外部振蕩器，還是內(nèi)部振蕩器，這與單片機(jī)的功耗有很大關(guān)系?，F(xiàn)代單片機(jī)普遍采用鎖相環(huán)技術(shù)，允許用戶(hù)在片外使用頻率較低的振蕩器，通過(guò)程序控制，系統(tǒng)時(shí)鐘可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，總線(xiàn)頻率往往能升得很高，但是會(huì)帶來(lái)額外的功率消耗。僅僅就時(shí)鐘方案來(lái)講，使用外部振蕩器且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。

　　C)選擇適合低功耗的雙時(shí)鐘方案

　　有些場(chǎng)合的應(yīng)用比較復(fù)雜，對(duì)MCU的速度要求也很高。盡管采用新的半導(dǎo)體工藝，但MCU速度越高，一般來(lái)說(shuō)功耗也越大。因此很多高速M(fèi)CU提供了雙時(shí)鐘系統(tǒng)，并允許MCU在運(yùn)行中實(shí)時(shí)快速的進(jìn)行時(shí)鐘切換，以達(dá)到降低功耗的目的。

　　Silabs MCU帶有內(nèi)部高速振蕩器，又可以使用外部振蕩器，并且可以在CPU運(yùn)行中實(shí)時(shí)高速地進(jìn)行內(nèi)、外振蕩器切換。這對(duì)于間歇工作的系統(tǒng)是一種非常好的低功耗方式。當(dāng)要處理數(shù)據(jù)時(shí)，使用內(nèi)部高速振蕩器；當(dāng)CPU空閑時(shí)，切換到外部低速振蕩器，以降低功耗。

　　·使用每MIPS功耗來(lái)衡量MCU的低功耗性能是相對(duì)比較準(zhǔn)確

　　盡管我們強(qiáng)調(diào)要降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，必須盡量降低單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘。但使用每MIPS功耗來(lái)衡量MCU的功耗與之并不矛盾。這是相對(duì)的，要具體問(wèn)題具體分析。

　　例如，執(zhí)行一個(gè)需要10K條指令的任務(wù)，甲MCU的工作電流為3mA,速度為10MIPS，則甲MCU需要工作1mS完成該任務(wù)，消耗3mA×1ms×Vcc,然后甲MCU就可以進(jìn)入低功耗模式了。而乙MCU的工作電流為1mA,速度為2MIPS，則乙MCU需要工作5ms完成，這樣乙MCU完成該任務(wù)的消耗為1mA×5ms×Vcc。

　　從上面的例子我們可以得出結(jié)論：電流大但速度快的MCU可能更省電。

　　應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)對(duì)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(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(jiàn)”的功耗損失。

　　·用“中斷”代替“查詢(xún)”

　　在沒(méi)有要求低功耗的場(chǎng)合，程序使用中斷方式還是查詢(xún)方式并不重要。但在要求低功耗場(chǎng)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(xún)方式下，CPU必須不停地訪(fǎng)問(wèn)I/O寄存器，這會(huì)帶來(lái)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(duì)RAM進(jìn)行兩次操作，會(huì)帶來(lái)更大的功耗。宏在編譯時(shí)展開(kāi)，CPU按順序執(zhí)行指令。使用宏，會(huì)增加程序的代碼量，但對(duì)不在乎程序代碼量大的應(yīng)用，使用宏無(wú)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：

　　A) 用查表的方法替代實(shí)時(shí)的計(jì)算；

　　B) 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(guò)度”的計(jì)算；

　　C) 盡量使用短的數(shù)據(jù)類(lèi)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

　　A) 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。

　　B) 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(guò)程中，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(guò)程中充分利用單片機(jī)的低功耗特性，來(lái)設(shè)計(jì)出符合低功耗要求的產(chǎn)品。
　　
　　Silabs MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)

　　Silabs 的C8051F系列單片機(jī)是從傳統(tǒng)的8051 單片機(jī)衍生出來(lái)的一種新型高速單片機(jī)。它屬于CISC指令系統(tǒng)，但由于采用“流水線(xiàn)”結(jié)構(gòu)方式處理指令，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，指令執(zhí)行的峰值速度為MIPS級(jí)別。雖然它的運(yùn)行速度很高，但是在低功耗設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這主要體現(xiàn)在：

　　供電電壓范圍寬

　　Silabs MCU的供電電壓范圍為2～5.25V。寬的供電電壓范圍不僅為單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，而且低的供電電壓可以有效地降低整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的功耗。

　　有多種低功耗模式

　　Silabs MCU有Idle、Stop和Suspend三種低功耗模式。各種模式下片上資源狀態(tài)、功耗及喚醒的情況如表1所示。在Stop和Suspend模式下，MCU的功耗可以降低到nA級(jí)。在Suspend模式下，有多種喚醒源，當(dāng)被喚醒時(shí)(非復(fù)位源喚醒)，CPU不會(huì)對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。在Stop模式下，Silabs MCU有豐富的復(fù)位源使CPU被喚醒,如圖1所示。

　　有多種時(shí)鐘方案供選擇

　　Silabs MCU都設(shè)計(jì)有兩套時(shí)鐘方案供選擇。用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要選擇內(nèi)部振蕩器或外部振蕩器，或者同時(shí)選擇內(nèi)、外振蕩器。內(nèi)部振蕩器可以通過(guò)相關(guān)寄存器設(shè)置來(lái)選擇不同的頻率。其頻率范圍為：80KHz～100MHz。更為重要的是在MCU運(yùn)行中，可以實(shí)時(shí)高速地進(jìn)行內(nèi)、外時(shí)鐘切換。時(shí)鐘切換速度快，切換產(chǎn)生的功耗小。這種特性，對(duì)于間歇工作的單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，特別有幫助。

　　靈活的I/O設(shè)計(jì)

　　Silabs MCU的I/O口資源豐富，配置靈活。有三種配置方式：漏極開(kāi)路、推挽輸出和弱上拉方式。用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)相關(guān)寄存器的設(shè)置來(lái)禁止或使能這些方式。其中將端口配置成漏極開(kāi)路方式是最省電的方式。

　　高速實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)

　　Silabs MCU響應(yīng)中斷的時(shí)間非常快，一般只需要5個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。中斷響應(yīng)速度快，CPU花費(fèi)在等待方面的時(shí)間少，這可以節(jié)省不少的等待功耗。

　　運(yùn)算速度快，處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)

　　雖然Silabs 的C8051F系列單片機(jī)屬于CISC指令系統(tǒng)，但由于它采用了“流水線(xiàn)”結(jié)構(gòu)方式處理指令，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，突破了傳統(tǒng)的8051單片機(jī)運(yùn)行效率低的弱點(diǎn)，特別是它執(zhí)行乘法指令只要4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘，執(zhí)行除法指令只要8個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。與那些RISC指令系統(tǒng)的單片機(jī)和那些速度低的CISC單片機(jī)相比，這不僅僅帶來(lái)了數(shù)據(jù)運(yùn)算的高效率，同時(shí)也極大地降低了系統(tǒng)的功耗。因此，使用每MIPS功耗來(lái)衡量Silabs 的C8051F系列單片機(jī)的功耗，無(wú)論是處理一般事件，還是做數(shù)據(jù)運(yùn)算，它都是非常低的，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖2是和其他MCU做除法運(yùn)算的速度對(duì)比。從對(duì)比中我們可以看出Silabs MCU具有高速處理數(shù)據(jù)能力的同時(shí)也帶來(lái)了更低的功耗。

　　總之，深入理解Silabs MCU低功耗的特性，根據(jù)實(shí)際情況，靈活運(yùn)用，就可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要求的低功耗產(chǎn)品。

　　Silabs MCU低功耗實(shí)現(xiàn)方法

　　這里舉一個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置的應(yīng)用，采用3V電池供電，間歇工作，要求平均功耗不大于200mA。使用Silabs MCU C8051F333成功地實(shí)現(xiàn)了低功耗的應(yīng)用。選擇雙時(shí)鐘系統(tǒng)，即處理數(shù)據(jù)時(shí)使用內(nèi)部高速振蕩器25MHz，空閑時(shí)使用外部晶振32.768KHz(如圖3所示)，并進(jìn)入Idle模式。沒(méi)有使用到的片上模擬和數(shù)字外設(shè)全部關(guān)閉，沒(méi)有用到的I/O全部設(shè)置成漏極開(kāi)路方式。

　　下面我們分析一下在不同情況下，CPU的功耗情況。

　　在溫度-40℃～85℃范圍內(nèi)，工作電壓3V，系統(tǒng)時(shí)鐘25MHz的情況下，CPU的功耗典型值是7.8mA。其電氣特性參數(shù)表如表2所示。

　　根據(jù)圖2參數(shù)，我們還可以大概估算出在不同頻率下CPU的功耗。當(dāng)F>15MHz時(shí)，可以用下面的公式來(lái)估算：

　　IDD=IDD1-(F1-F)×IDD2 (1)

　　其中IDD1是在不同電壓、最高頻率下正常工作時(shí)的最小功耗，F(xiàn)1是最高工作頻率，IDD2是F>15MHz，不同電壓下的IDD 頻率敏感度。例如，VDD= 3.0V；F=20MHz時(shí)，根據(jù)圖2可以算出：

　　IDD=7.8mA-(25MHz-20MHz)×0.21mA/MHz=6.75mA

　　當(dāng)F≤15MHz時(shí)，CPU的功耗可以用下面的公式來(lái)估算：

　　IDD=F÷1MHz ×IDD2 (2)

　　例如，VDD=3.0V；F=32.768KHz時(shí)，根據(jù)圖2可以算出：

　　IDD=32.768KHz÷1MHz×0.38mA/MHz=12.45184mA

　　在溫度-40℃～85℃范圍內(nèi)，工作電壓3V，系統(tǒng)時(shí)鐘32.768KHz的情況下，CPU的功耗可以通過(guò)Idle模式下的電氣特性參數(shù)來(lái)計(jì)算。Idle模式下的電氣特性參數(shù)表如表3所示。

　　根據(jù)公式(2)，Idle模式下的功耗為：

　　IDD=32.768KHz÷1MHz×0.20mA/MHz=6.5536mA

　　從上面的分析我們可以看出，使用外部低頻振蕩器，并進(jìn)入Idle模式，CPU的功耗可以降的很低。如果能用上Stop模式，功耗可以降低到0.1mA以下。在模擬該運(yùn)動(dòng)裝置真實(shí)使用環(huán)境的條件下，經(jīng)過(guò)使用儀器測(cè)試，平均功耗降低到了150mA以下。該產(chǎn)品目前已經(jīng)批量上市了。

　　結(jié)語(yǔ)

　　C8051F系列單片機(jī)封裝小，高集成度，低功耗特性好。只要根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，認(rèn)真細(xì)致地分析產(chǎn)品的低功耗要求，靈活應(yīng)用Silabs MCU的低功耗特性，從硬件和應(yīng)用軟件兩方面入手，就可以設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足不同要求的低功耗產(chǎn)品。