節(jié)電設(shè)計(jì)中掉電狀態(tài)MCU的復(fù)位喚醒速度

0 前言

在MCU的節(jié)電措施中，除了降低工作頻率與工作電壓以外，剩下的就是如何選擇MCU的節(jié)電模式了。由于節(jié)電的機(jī)理是設(shè)法停掉片內(nèi)一部分電路的工作，因此節(jié)電效果最好的是片內(nèi)電路全停的掉電方式。以MCS51系列的AT89C2051為例，其休閑方式（CPU凍結(jié)，但振蕩器、中斷、定時(shí)器與串行口等仍繼續(xù)運(yùn)行）的耗電約為850uA，而掉電方式（片內(nèi)所有電路均停止工作，僅保持I/O端口引腳狀態(tài)和片內(nèi)RAM內(nèi)容不變）的耗電僅為1uA不到。顯然，對(duì)于那些正常運(yùn)行中存在等待狀態(tài)的MCU應(yīng)用項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)盡可能地選擇這種掉電方式來(lái)作節(jié)電設(shè)計(jì)。但由于掉電狀態(tài)下MCU片內(nèi)的時(shí)鐘和中斷系統(tǒng)均不工作，所以無(wú)法以片外中斷方式喚醒片內(nèi)的CPU，而只能以復(fù)位方式予以喚醒。然而實(shí)際應(yīng)用需求往往對(duì)MCU的喚醒速度有所要求，而在一般概念中MCU的復(fù)位速度是很慢的（如上電復(fù)位），且相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)和應(yīng)用資料均未對(duì)此給出明確清晰的說(shuō)明，因此MCU掉電時(shí)的復(fù)位喚醒速度便成了能否采用這種節(jié)電方式的關(guān)鍵所在。為此，有必要從理論和實(shí)踐兩方面進(jìn)行探討并尋求相關(guān)答案。

1 MCU的復(fù)位方式及其特點(diǎn)

一般說(shuō)來(lái)，MCU的復(fù)位操作通?？煞譃樯想姀?fù)位、手動(dòng)復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位、失電復(fù)位、以及節(jié)電方式下的掉電復(fù)位。根據(jù)這些復(fù)位操作發(fā)生時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)又可將它們歸為三類(lèi)：上電復(fù)位、運(yùn)行復(fù)位、掉電復(fù)位。下面分別對(duì)這三類(lèi)復(fù)位操作及其特點(diǎn)進(jìn)行具體分析。

1．1  上電復(fù)位

上電復(fù)位幾乎是所有MCU應(yīng)用系統(tǒng)都在使用的啟動(dòng)方式，它是指系統(tǒng)加電開(kāi)始運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)復(fù)位，一般是在電源上升穩(wěn)定后利用模擬或數(shù)字的延時(shí)環(huán)節(jié)給MCU提供一定時(shí)間進(jìn)行片內(nèi)復(fù)位操作。常見(jiàn)的復(fù)位電路有片外RC延時(shí)電路[1]和片內(nèi)復(fù)位定時(shí)器等[5]。

對(duì)于該上電復(fù)位操作所需的時(shí)間，一般的MCU數(shù)據(jù)手冊(cè)都給出了相應(yīng)的說(shuō)明。以Intel公司的MCS51 PDF文檔為例[1] ：①振蕩器起振到穩(wěn)定的時(shí)間大約為1ms～10ms，(即10MHz的晶振為1ms，1MHZ的晶振為10ms)；②為確?？煽繌?fù)位，RST引腳上的高電平必須保持到振蕩器起振再加兩個(gè)機(jī)器周期；③上電時(shí)VCC必須在10ms左右的時(shí)間內(nèi)完成其上升。

以上三點(diǎn)說(shuō)明給人的印象是上電復(fù)位所需的時(shí)間是很長(zhǎng)的，而且很容易造成這樣的錯(cuò)覺(jué)：上電復(fù)位所需時(shí)間=電源上升時(shí)間+振蕩器起振時(shí)間+片內(nèi)初態(tài)建立時(shí)間。這也影響了某些文獻(xiàn)關(guān)于上電復(fù)位時(shí)間的相關(guān)論述[3][4]。也正因?yàn)槿绱?，在?shí)際設(shè)計(jì)中為了確保可靠復(fù)位，設(shè)計(jì)者通常都把片外復(fù)位電路的RC數(shù)值取得較大（文獻(xiàn)[1]的推薦值是8.2K與10uF）。

然而事實(shí)并非如此。圖一給出了AT89C51的一個(gè)測(cè)試實(shí)例：當(dāng)電源電壓上升到2V左右時(shí)振蕩器開(kāi)始起振（此時(shí)距電源上升起點(diǎn)約1ms），爾后其振蕩幅度基本上跟隨電源電壓逐步攀升，直至2.3ms時(shí)兩者均達(dá)最大（VCC=5V，Vx2≈5Vpp）；與此同時(shí)，復(fù)位時(shí)片內(nèi)初態(tài)的設(shè)置操作將I/O引腳（圖一中P1.4）電平抬高發(fā)生在VCC上升到50％時(shí)，此后若將RST引腳的高電平拉低，MCU將立即開(kāi)始執(zhí)行程序，而不必等到振蕩器振幅達(dá)到最大。（以上兩個(gè)時(shí)間參數(shù)系指振蕩器的片外定時(shí)元件為4MHz陶瓷諧振器）。

       圖一AT89C51上電復(fù)位時(shí)的起振時(shí)序

由此可以得出這樣的結(jié)論：上電時(shí)的復(fù)位操作（初態(tài)設(shè)置+振蕩器起振）在電源電壓上升到其50％時(shí)便可完成，而不是在片內(nèi)振蕩器振幅穩(wěn)定的兩個(gè)機(jī)器周期之后（即片內(nèi)初態(tài)的建立并不依賴(lài)于片內(nèi)振蕩器的狀態(tài)）。此后RST引腳的電平是否變低決定了MCU何時(shí)開(kāi)始取指執(zhí)行。但為避免在電源電壓不足時(shí)倉(cāng)促執(zhí)行程序可能對(duì)片外帶來(lái)的意外結(jié)果，復(fù)位信號(hào)還是應(yīng)當(dāng)持續(xù)到電源電壓上升結(jié)束時(shí)方可撤除。從這一點(diǎn)出發(fā)可以認(rèn)為，上電復(fù)位所需時(shí)間完全取決于電源電壓的上升時(shí)間。由于此處電源電壓上升的實(shí)測(cè)時(shí)間為2.3ms，因而可以確定文獻(xiàn)[1]的推薦值選得過(guò)大（8.2k×10uF=82ms），會(huì)使上電開(kāi)機(jī)時(shí)間拖得太長(zhǎng)。

1．2  運(yùn)行復(fù)位

運(yùn)行復(fù)位是指系統(tǒng)異常時(shí)的手動(dòng)復(fù)位、程序跑飛時(shí)的看門(mén)狗復(fù)位、電源電壓下降時(shí)的失電復(fù)位等。它們的共同點(diǎn)是片內(nèi)振蕩器及其它電路都在正常運(yùn)行，CPU正在執(zhí)行程序。

由文獻(xiàn)[1]中相關(guān)的運(yùn)行復(fù)位時(shí)序圖可知，此時(shí)提供給MCU的RST引腳上的復(fù)位信號(hào)必須不小于兩個(gè)機(jī)器周期。這是因?yàn)镸CU每個(gè)機(jī)器周期只對(duì)片外的 RST引腳采樣一次。為了避免RST引腳上的干擾信號(hào)導(dǎo)致復(fù)位的誤動(dòng)作，必須連續(xù)采樣到兩次有效的片外RST復(fù)位信號(hào)，MCU才會(huì)啟動(dòng)片內(nèi)的復(fù)位流程，使片內(nèi)的RESET信號(hào)有效（直到此時(shí)片外的RST信號(hào)方可撤去），并以此片內(nèi)RESET信號(hào)去設(shè)置片內(nèi)各部件的初始狀態(tài)以及控制隨后的取指執(zhí)行?？紤]到送達(dá)片外RST引腳上的復(fù)位信號(hào)有可能正好發(fā)生在一次片內(nèi)采樣之后，所以為實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)的可靠復(fù)位RST引腳上的復(fù)位信號(hào)至少得維持2個(gè)機(jī)器周期。

1．3  掉電復(fù)位

掉電復(fù)位是指MCU處于節(jié)電的掉電狀態(tài)下以復(fù)位方式將其喚醒重新執(zhí)行指令的操作。掉電后MCU片內(nèi)的所有電路均已停止工作，但其片內(nèi)RAM內(nèi)容和各端口引腳的狀態(tài)保持不變，而且MCU的供電電壓也大都保持不變（也有少數(shù)應(yīng)用中將掉電狀態(tài)下的MCU供電電壓降為2V以求最大限度的節(jié)電）。這種情況下的復(fù)位操作與上電復(fù)位所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是相同的：振蕩器起振并穩(wěn)定、片內(nèi)相關(guān)部件建立初態(tài)。但與上電復(fù)位不同的是：MCU的工作電壓仍然存在。

從上電復(fù)位的討論中可以得知，其可靠復(fù)位所需時(shí)間主要取決于電源電壓的上升時(shí)間；那么對(duì)于此處掉電復(fù)位來(lái)說(shuō)，當(dāng)已沒(méi)有了電源電壓上升的問(wèn)題時(shí)（對(duì)于那種掉電后電源電壓下降到2V者，則應(yīng)先將電源電壓上升到正常值后方可對(duì)RST引腳施加復(fù)位信號(hào)），復(fù)位所需時(shí)間又取決于什么？對(duì)于這一點(diǎn)，相關(guān)的數(shù)據(jù)手冊(cè)并未給出確切說(shuō)明，只說(shuō)“復(fù)位信號(hào)激活了振蕩器，復(fù)位信號(hào)必須保持有效到使振蕩器起振并達(dá)穩(wěn)定（一般少于10ms）” [1]，這似乎是說(shuō)該MCU的掉電復(fù)位喚醒時(shí)間約為數(shù)毫秒。然而，該數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的相關(guān)內(nèi)部電路框圖[1]以及筆者所作的實(shí)際測(cè)試均表明，情況并非完全如此。

從文獻(xiàn)[1]中與掉電方式有關(guān)的內(nèi)部電路框圖可見(jiàn)，片內(nèi)振蕩器的起振和向后傳輸均受控于掉電控制位PD，因此掉電復(fù)位時(shí)必定是先進(jìn)行片內(nèi)初始狀態(tài)的設(shè)置（其中包含PD位清零），然后才能使片內(nèi)振蕩器起振并后傳。同時(shí)，也正由于片內(nèi)振蕩器的起振是由片內(nèi)初態(tài)進(jìn)行控制的，所以片內(nèi)初態(tài)一旦可靠建立，片外復(fù)位信號(hào)就沒(méi)有必要一直保留到使片內(nèi)振蕩器振幅趨于穩(wěn)定。以下測(cè)試證實(shí)了這一點(diǎn)。

圖二給出了AT89C51在掉電復(fù)位喚醒時(shí)的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，此時(shí)其片內(nèi)振蕩器的片外定時(shí)元件為4MHz的陶瓷諧振器。

圖二 AT89C51在掉電狀態(tài)下復(fù)位時(shí)的起振時(shí)序

由圖二可見(jiàn)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)前沿到來(lái)時(shí)，片內(nèi)振蕩器立即在1/2VCC（2.5V）左右處開(kāi)始起振。在起始的3us時(shí)段內(nèi)其振幅很小，4us～9us期間其振幅迅速增加，到10us～15us內(nèi)則漸趨穩(wěn)定。由此可得以下幾點(diǎn)結(jié)論：首先，片內(nèi)振蕩器的起振速度大大快于數(shù)據(jù)手冊(cè)[1]中所說(shuō)的“一般少于10ms”。其次，當(dāng)復(fù)位信號(hào)到來(lái)時(shí)，片內(nèi)振蕩器并未象上電復(fù)位那樣等了一段時(shí)間以后再起振，而是立即起振。這是由于在掉電復(fù)位喚醒前，電源電壓依然存在，使得片內(nèi)振蕩器的某些靜態(tài)工作點(diǎn)仍然維持著，所以一旦復(fù)位操作清除了掉電控制位PD，振蕩器便立即在工作點(diǎn)處（1/2VCC=2.5V）開(kāi)始起振，顯然比上電復(fù)位時(shí)省掉了一段逐步建立工作點(diǎn)所需的啟動(dòng)時(shí)間。

為了確切了解AT89C51的可靠復(fù)位喚醒要求片外所加的復(fù)位信號(hào)至少應(yīng)保持多少寬度，筆者以另一MCU發(fā)出的窄脈沖作為被測(cè)MCU的復(fù)位信號(hào)，并不斷改變其寬度，再以觀察被測(cè)MCU的一個(gè)I/O引腳電平的變化來(lái)判斷是否可靠地完成了復(fù)位喚醒操作，即在MCU進(jìn)入掉電狀態(tài)之前先將該引腳用指令置為低電平，隨后掉電復(fù)位喚醒發(fā)生時(shí)的片內(nèi)初態(tài)設(shè)置操作又會(huì)把該引腳強(qiáng)制置為高電平，最后，由掉電復(fù)位喚醒結(jié)束后的第一條指令再將其立即拉為低電平。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)外加的復(fù)位信號(hào)寬度為1us～6us時(shí)，被測(cè)MCU有時(shí)不能可靠復(fù)位，具體表現(xiàn)為該I/O引腳被復(fù)位的初態(tài)設(shè)置操作強(qiáng)制拉高后又可能隨著復(fù)位信號(hào)的撤除而立即下降。而當(dāng)外加的復(fù)位信號(hào)寬度大于8us后，被測(cè)MCU就能可靠復(fù)位喚醒并在外加復(fù)位信號(hào)撤除后能順利開(kāi)始執(zhí)行程序。這個(gè)結(jié)果表明：①?gòu)?fù)位時(shí)MCU的端口引腳跟隨復(fù)位信號(hào)的高電平前沿立即變高，滯后小于1us；②復(fù)位喚醒時(shí)MCU的片內(nèi)初態(tài)的設(shè)置領(lǐng)先于片內(nèi)振蕩器的起振。③復(fù)位喚醒時(shí)外加的復(fù)位信號(hào)寬度最小只需幾個(gè)us即可，不必等到振蕩器振幅達(dá)到最大就可使MCU開(kāi)始執(zhí)行指令（上述8us處的振蕩幅度大約為160mVpp），這可能是因?yàn)樵谄瑑?nèi)振蕩器后面有一級(jí)分頻器，將振蕩器在1/2VCC處的小幅度振蕩整形為滿(mǎn)幅度時(shí)鐘信號(hào)了。

由此可知，掉電狀態(tài)下MCU的復(fù)位喚醒雖與片內(nèi)振蕩器有關(guān)，但其喚醒時(shí)間并不等同于片內(nèi)振蕩器從起振到穩(wěn)定的時(shí)間。若想獲得最快的復(fù)位喚醒速度，還可考慮使用片外振蕩器，以便MCU的掉電操作對(duì)振蕩器不構(gòu)成影響。

對(duì)于非MCS51的其它MCU系列，其掉電喚醒的復(fù)位操作和時(shí)序大致與上述相同，只是具體時(shí)間參數(shù)上可能有所差異。以MICROCHIP的 PIC12F508為例[5]，其片內(nèi)主管復(fù)位延時(shí)的定時(shí)器DRT的延時(shí)值分為兩類(lèi)，一類(lèi)是上電復(fù)位時(shí)的延時(shí)值為18ms，另一類(lèi)是采用片內(nèi)RC振蕩器或片外時(shí)鐘輸入時(shí)用作復(fù)位喚醒的延時(shí)值為10us。稍顯不足的是，該文檔還聲稱(chēng)當(dāng)采用片外晶振時(shí)其DRT的延時(shí)值仍為18ms，這顯然與本文所測(cè)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。 

2．結(jié)束語(yǔ)

能否以硬件復(fù)位對(duì)MCU實(shí)行快速喚醒是妨礙采用掉電方式進(jìn)行MCU節(jié)電設(shè)計(jì)的一道門(mén)檻，其關(guān)鍵在于MCU掉電時(shí)的復(fù)位喚醒時(shí)間是否可知、是否夠快。本文工作就這兩點(diǎn)給出了答案。結(jié)論是明確的：采用片內(nèi)振蕩器時(shí)，掉電狀態(tài)下的復(fù)位喚醒時(shí)間小于片內(nèi)振蕩器從起振到穩(wěn)定的時(shí)間（且遠(yuǎn)小于上電復(fù)位時(shí)間），采用陶瓷諧振器時(shí)，該時(shí)間可快至10微秒左右，若想進(jìn)一步加快則可采用片外時(shí)鐘方案。

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