利用先進(jìn)的時(shí)鐘控制功能在MCU設(shè)計(jì)提高了處理效率
由于微控制器激增到越來越多的權(quán)力受限的設(shè)計(jì)，加工效率成為越來越多的關(guān)注，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器來獲得額外的處理能力以更低的功率是由電池不僅是重要的操作的產(chǎn)品，但是，越來越多的功率也制約了許多“插件”模塊，其中功率由模塊規(guī)格的限制。在這些情況下，一個(gè)有效的設(shè)計(jì)將能夠提供更多的功能，并創(chuàng)建一個(gè)競爭優(yōu)勢一個(gè)效率較低的實(shí)施。 MCU設(shè)計(jì)的一個(gè)被忽視的方面是在時(shí)鐘控制區(qū)。設(shè)計(jì)人員往往可以通過使用時(shí)鐘控制模塊的高級(jí)特性來調(diào)整時(shí)鐘為CPU，外設(shè)和其他耗電的資源打造更高效的設(shè)計(jì)。本文將探討先進(jìn)的時(shí)鐘控制模塊一些常用功能的能力，并展示它們的使用如何能改善大多數(shù)MCU為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)處理效率。
時(shí)鐘源
MCU的總體操作由一個(gè)時(shí)鐘控制塊和許多時(shí)鐘控制塊管理具有的功能，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)鐘這些塊，甚至關(guān)閉的時(shí)鐘不被在某些處理程序使用的功能，功率可以被應(yīng)用到需要它和MCU的只是部分只是在需要時(shí)，使得對(duì)于一個(gè)非常有效的實(shí)現(xiàn)。的起點(diǎn)的時(shí)鐘管理和控制是可使用的不同的時(shí)鐘源的各種子模塊。了解每一個(gè)時(shí)鐘源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是起點(diǎn)的高效的MCU執(zhí)行。許多共同的時(shí)鐘源和控制功能中提供了意法半導(dǎo)體ST32F37xx MCU的時(shí)鐘控制塊，在圖1中示出ST32F37xx具有多個(gè)時(shí)鐘源和每個(gè)具有用于它已被優(yōu)化的特定功能。例如，高速外部(HSE)時(shí)鐘，如圖1所示的左中，使用任一外部晶體/陶瓷諧振器或現(xiàn)有的用戶提供的時(shí)鐘。外部晶體/陶瓷諧振器可以操作4至32兆赫，并產(chǎn)生一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘速率。如果現(xiàn)有的外部時(shí)鐘已經(jīng)可用，或如果用戶希望實(shí)行額外控制的時(shí)鐘源(可能停止或更細(xì)的低功率操作控制減慢時(shí)鐘)，外部時(shí)鐘輸入都可以使用。這也釋放了一個(gè)附加的GPIO引腳，因?yàn)樯倭艘粋€(gè)引腳，需要在諧振器實(shí)現(xiàn)。
圖1：STM32F37xx時(shí)鐘控制模塊。
(意法半導(dǎo)體公司提供)的高速內(nèi)部從內(nèi)部的8 MHz的RC振蕩器產(chǎn)生(HIS)的時(shí)鐘信號(hào)，并且可以直接用作系統(tǒng)時(shí)鐘或由兩個(gè)分割所使用由PLL之前。所述HIS RC振蕩器具有以低成本提供一個(gè)時(shí)鐘源，因?yàn)樗皇褂猛獠吭膬?yōu)點(diǎn)。它還具有比HSE晶體振蕩器更快的啟動(dòng)時(shí)間;然而，即使使用校準(zhǔn)的頻率比外部晶體振蕩器或陶瓷振蕩器不太準(zhǔn)確。注意，CPU時(shí)鐘只能通過的高速時(shí)鐘的一個(gè)或從PLL的輸出來驅(qū)動(dòng)。該STM32F37xx也有兩個(gè)低速時(shí)鐘源。的低速外部(LSE)晶體/陶瓷振蕩器示出在圖1的頂部，并使用高精度32.768kHz的諧振器來創(chuàng)建精確時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)的外圍。低速內(nèi)部RC振蕩器提供用于自動(dòng)喚醒從低功耗停止/睡眠模式時(shí)，它驅(qū)動(dòng)獨(dú)立看門狗定時(shí)器和可選的RTC 40kHz的信號(hào)。低功耗時(shí)鐘從高速時(shí)鐘獨(dú)立運(yùn)作，以便他們外設(shè)可以當(dāng)主系統(tǒng)時(shí)鐘被關(guān)閉，從而節(jié)省顯著電源也能工作。這些時(shí)鐘源均顯示出典型的來源，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)微控制器。時(shí)鐘源，如在圖1中所見只是的起點(diǎn)，在大多數(shù)的MCU的時(shí)鐘架構(gòu)。一般的時(shí)鐘可被進(jìn)一步選擇，加工(通常與一個(gè)或多個(gè)鎖相環(huán)，或PLL，塊)，或啟用的所有下控制MCU。我們將繼續(xù)我們的時(shí)鐘控制的探索通過查看下一節(jié)一個(gè)PLL模塊的典型功能。
鎖相環(huán)操作
不同的時(shí)鐘操作的模塊，例如在鎖相環(huán)(PLL)和鎖頻環(huán)(FLL)塊，是最重要的，但典型地小于理解在一個(gè)時(shí)鐘控制模塊元件。飛思卡爾的Kinetis K10子系列MCU具有多用途時(shí)鐘發(fā)生器(MCG)模塊，如圖2所示，其中包括一個(gè)FLL和PLL，所以它是一個(gè)很好的例子來審查。該的Kinetis K10 MCG FLL是可控通過任何一個(gè)內(nèi)部或外部參考時(shí)鐘。該P(yáng)LL是可控的外部基準(zhǔn)時(shí)鐘。該模塊可以選擇的FLL-或PLL輸出時(shí)鐘的內(nèi)部 - 或外部參考時(shí)鐘或任一作為MCU系統(tǒng)時(shí)鐘源。 MCG的操作與一個(gè)晶體振蕩器，其允許外部晶體，陶瓷諧振器，或其他外部時(shí)鐘源，以產(chǎn)生所述外部參考時(shí)鐘一起使用。
圖2：在飛思卡爾的Kinetis K10 MCU系列多功能時(shí)鐘發(fā)生器模塊。 (飛思卡爾提供)的FLL塊，在圖2的中間所示，它選擇的時(shí)鐘源，且運(yùn)行在它創(chuàng)建所需的時(shí)鐘頻率。輸入時(shí)鐘可以通過十六個(gè)不同的值進(jìn)行劃分，從1至1536，以創(chuàng)建之間31.25kHz到39.0625千赫的基頻。基頻，然后通過數(shù)字控制的振蕩器(DCO)相乘來創(chuàng)建從20兆赫和96兆赫之間的所需輸出頻率。從多種頻率，通過使用FLL進(jìn)行選擇的能力，可輕松調(diào)整時(shí)鐘速率為只是操作所需的特定模式的正確的頻率，提高了處理效率。該P(yáng)LL操作以類似的方式，但采用的是電壓控制振蕩器(VCO)來調(diào)整時(shí)鐘輸出頻率。的輸入時(shí)鐘的PLL能夠由一個(gè)預(yù)定標(biāo)器被除以2至25.一種相位檢測器的因子結(jié)合了PLL的輸入時(shí)鐘與VCO輸出時(shí)鐘由一個(gè)因子乘以輸入信號(hào)從24至55 。所有這除法和乘法的結(jié)果是一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，它是所需要的應(yīng)用的精確值。通常有由PLL在FLL需要額外的電源，但PLL有更精細(xì)的調(diào)整，提高精度。注意，無論是在PLL或FLL可被禁用，以降低功耗，如果他們不要求產(chǎn)生所需的應(yīng)用，例如頻率，在外部時(shí)鐘信號(hào)提供所需的精確頻率的情況。
外設(shè)時(shí)鐘控制
后的源時(shí)鐘進(jìn)行了調(diào)整(如果需要)通過使用有PLL它是由時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)提供單獨(dú)的時(shí)鐘為每個(gè)鍵的MCU塊。該CPU及其相關(guān)存儲(chǔ)系統(tǒng)將需要自己的時(shí)鐘，但通常各種外設(shè)都會(huì)有自己的時(shí)鐘，以及。更細(xì)碎的外設(shè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是，越容易分別選擇和控制的時(shí)鐘，以及調(diào)節(jié)操作頻率，以該應(yīng)用程序所需。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)被控制的通常的方法是添加時(shí)鐘分頻器電路(因?yàn)樗峭ǔＳ糜趯⑼鈬倪\(yùn)行速度比在CPU慢)和偶數(shù)時(shí)鐘禁止電路中，如果外圍不需要在所有。更控制可用的更多的功率和性能可以進(jìn)行調(diào)整，但在某些方面的附加模腔(及其相關(guān)的成本)，并需要額外的功率必須考慮。通常，制造商限制從提供完全靈活性的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，而是試圖提供足夠的能力，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序來獲得顯著能力和處理效率。 NXP，其LPC15xx MCU，已分割的時(shí)鐘分頻器每個(gè)鍵外圍功能，如圖3中，沿著非常實(shí)用線，因此很容易確定的設(shè)置要使用的每個(gè)子塊。例如，該時(shí)鐘信號(hào)到USART塊，在圖3的中部右側(cè)所示，從主時(shí)鐘源，但是使用USART外設(shè)時(shí)鐘分頻器可以預(yù)先分割(通過從1到255或完全禁用) 。這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以被用于個(gè)人分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器(含16位時(shí)鐘除數(shù)可用)，每個(gè)USART模塊中，可以很容易單獨(dú)設(shè)置波特率每個(gè)USART的。其它外設(shè)時(shí)鐘分頻器上提供一個(gè)共同的功能的基礎(chǔ)上可以很容易地配置和控制的性能，并且因此所有的關(guān)鍵周邊塊的功耗。
圖3：恩智浦LPC15xx MCU外設(shè)時(shí)鐘分頻器。 (恩智浦提供)分組外設(shè)時(shí)鐘按照職能是一個(gè)簡單的概念，而是一個(gè)變得更加復(fù)雜，當(dāng)外圍設(shè)備能協(xié)同工作。例如，注意，ADC時(shí)鐘分頻可以從SC定時(shí)器PLL進(jìn)行采購。這似乎是不必要的連接，直到你認(rèn)識(shí)到ADC可結(jié)合工作與SC定時(shí)器以周期性的轉(zhuǎn)換，而無需CPU干預(yù)。護(hù)理在創(chuàng)造所需的所需操作的靈活性，而不會(huì)加重與外部復(fù)雜的時(shí)鐘控制模塊的其他級(jí)別，是一個(gè)經(jīng)過深思熟慮的實(shí)施標(biāo)志。
動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制
一旦你選擇的時(shí)鐘在大多數(shù)電源和加工效率的方式不同外設(shè)，你可能會(huì)認(rèn)為你完成。為了獲得更大的性能和功耗控制，你可能也想動(dòng)態(tài)調(diào)整的視功能或模式MCU在某些加工或周邊塊的速度。靈活的時(shí)鐘選擇網(wǎng)絡(luò)是利用動(dòng)態(tài)時(shí)鐘所需的關(guān)鍵功能。于Silicon Labs MCU壁虎時(shí)鐘控制模塊，如圖4所示的部分，說明了這一點(diǎn)。在圖的左上側(cè)的高頻時(shí)鐘交換機(jī)可以從任一高頻時(shí)鐘(HFXO或HFRCO)或低頻時(shí)鐘(LFXO或LFRCO)選擇。這樣就可以很容易地“混搭”低頻源或高頻源取決于模式的設(shè)備在操作類型
圖4：科Silicon Labs公司的Gecko微控制器的時(shí)鐘控制塊。 (Silicon Labs公司提供)動(dòng)態(tài)時(shí)鐘選擇可進(jìn)入和走出了一條傳統(tǒng)的低功耗模式時(shí)，需要太多的最有用的“啟動(dòng)”時(shí)間(即使是高能效的Gecko MCU系列可能需要2微秒喚醒彌補(bǔ)了EM2低功耗狀態(tài)和高達(dá)160微秒的極低功耗EM4狀態(tài))。通過動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)低頻率的時(shí)鐘，該功率節(jié)省是少的，但在快速響應(yīng)時(shí)間(通常在僅僅時(shí)鐘周期的量級(jí))的速度要快得多。這可以使捕獲異步事件或缺失其之間的差異。有時(shí)鐘控制水平也可以增加使用低功耗狀態(tài)時(shí)，在工作狀態(tài)需要一個(gè)中檔的處理性能。尋找動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制的機(jī)會(huì)，在您的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最功耗和處理效率水平。
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