微控制器省電管理方法

新唐科技的NUC1xx包含NUC101、NUC100、NUC120、NUC130和NUC140，是以ARM Cortex-M0為核心的32位微控制器(MCU)，經(jīng)由不同時(shí)鐘的設(shè)定，最高可以達(dá)到50MHz的運(yùn)作頻率。然而在一般簡單控制或系統(tǒng)負(fù)載較低時(shí)，CPU并不需要執(zhí)行在最高的運(yùn)行時(shí)鐘下即可應(yīng)付所需要的計(jì)算量。這時(shí)候，便可以利用系統(tǒng)時(shí)鐘的控制來降低時(shí)鐘，以達(dá)到省電的目的。

另一種情況是CPU因?yàn)榈却乱粋€(gè)工作或只需要久久工作一次時(shí)，就可以先將CPU進(jìn)入Idle或Power Down模式，等到一定的時(shí)間之后或是有特定的事件發(fā)生時(shí)，才被喚醒過來進(jìn)行相關(guān)事件的處理。同時(shí)，如果系統(tǒng)內(nèi)沒有用到的系統(tǒng)模塊，也可以將其關(guān)閉以節(jié)省不必要的耗電。本文介紹各種不同的省電方法的原理，并提供相關(guān)的范例說明。

開關(guān)系統(tǒng)模塊

在新唐科技NUC1xx中，為了省電的需求，當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)模塊不使用時(shí)，可以將其輸入時(shí)鐘關(guān)閉，使其進(jìn)入關(guān)閉的模式，依此來達(dá)到省電的效果。在NUC1xx中，幾乎所有的系統(tǒng)模塊都可以各別被關(guān)閉，這些模塊包括：Watch Dog Timer、RTC、Timer0~3、I2C0~1、SPI0~3、UART0~2、PWM0~7、CAN、USB、ADC、ACMP、PS2、PDMA、 Flash ISP。不過，并非每顆芯片都包含了所有模塊功能，例如CAN模塊只在NUC130和NUC140才有此功能，詳細(xì)說明請(qǐng)參考各芯片的相關(guān)文件。

各模塊的相關(guān)耗電如表1所示。

新唐科技NUC1xx藉由關(guān)閉各模塊時(shí)鐘的方式來達(dá)到關(guān)閉各模塊的目的，所以要關(guān)閉模塊就必須設(shè)定相關(guān)的時(shí)鐘控制緩存器。NUX1xx提供AHBCLK Register與APBCLK Register，來控制上文所列出各模塊的開關(guān)。

系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定

新唐科技NUC1xx本身的耗電量和它的運(yùn)行時(shí)鐘有很大關(guān)系。如果運(yùn)行的時(shí)鐘高，則耗電高，反之則比較省電，但同時(shí)CPU就可能無法負(fù)荷大量的運(yùn)算。因此，如果要同時(shí)兼顧大量運(yùn)算跟省電，就必須能夠根據(jù)實(shí)際上的需求來調(diào)整CPU的工作時(shí)鐘，以求達(dá)到最佳的運(yùn)作效率。

NUC1xx內(nèi)建了PLL，能使用外部12MHz的晶振或是內(nèi)部22M振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時(shí)鐘，由PLL所產(chǎn)生的時(shí)鐘再經(jīng)過適當(dāng)除頻，即可作為CPU的工作頻率。另外NUC1xx也提供經(jīng)由外部32KHz的晶振或是內(nèi)部10KHz 振蕩器直接供給作為CPU工作頻率的方式。因此，NUC1xx對(duì)于工作時(shí)鐘的設(shè)定，提供了很大的靈活性。

IDLE省電模式

新唐科技NUC1xx除了可利用設(shè)定最適合的工作時(shí)鐘來達(dá)到省電的目的外，如果在系統(tǒng)完全不需要工作時(shí)，還可以將CPU及大部分的硬件關(guān)閉，以達(dá)到最大的省電效果。這種搭配關(guān)閉CPU及大部分硬件的模式，我們稱之為省電模式，其中包括了Idle省電模式及Power Down省電模式。下面就Idle省電模式進(jìn)行說明。

藉由關(guān)閉大部分硬件時(shí)鐘以達(dá)到最大省電效率的模式主要有兩種，一種是Idle省電模式，另一種是Power Down省電模式。這兩種模式最大的不同點(diǎn)是，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入Idle省電模式下時(shí)，任何的中斷事件都可以重新喚醒CPU，以便讓系統(tǒng)可以處理新進(jìn)的事件。但如果系統(tǒng)處于Power Down省電模式，就只有少數(shù)特定的中斷事件能夠喚醒系統(tǒng)。

由于所謂的Idle模式，實(shí)際上就是把CPU的時(shí)鐘關(guān)閉，這樣讓CPU在沒有工作時(shí)處在最省電的模式。因?yàn)樵谶@個(gè)模式下，只是將CPU的時(shí)鐘關(guān)閉，一旦有任何中斷事件發(fā)生，馬上可以打開CPU的時(shí)鐘來處理相關(guān)的事件，所以不會(huì)造成處理事件的延遲，同時(shí)又可以達(dá)到省電效果，是兼顧速度與省電的一種模式。

NUC1xx可以利用ARM Cortex-M0本身提供的WFI/WFE指令進(jìn)入Idle模式。一旦進(jìn)入Idle模式，CPU將立刻進(jìn)入Sleep模式而停止運(yùn)作，因此在WFI/WFE指令之后的程序都必須等到CPU被喚醒后才會(huì)被執(zhí)行。此時(shí)NUC1xx的耗電量將降到約16mA@3.3V-48MHz。

進(jìn)入Idle省電模式之后，如果要喚醒CPU，回到一般的工作模式，就必須先產(chǎn)生中斷信號(hào)。該中斷信號(hào)可以是NUC1xx中的任何模塊所產(chǎn)生的中斷，也可以通過外部中斷的方式來喚醒CPU。需要注意的是，當(dāng)決定CPU要由某個(gè)中斷來喚醒時(shí)，就必須在進(jìn)入Idle省電模式前，將該中斷設(shè)定完成，才能使其產(chǎn)生中斷事件來喚醒CPU。

Power Down省電模式

Power Down是新唐科技NUC1xx最省電的一種模式，因?yàn)橐坏┻M(jìn)入Power Down省電模式，晶振時(shí)鐘會(huì)被關(guān)閉，整顆NUC1xx呈現(xiàn)靜止的狀態(tài)，這時(shí)的耗電量將減到最小的程度。而在此模式下，也只有少數(shù)的特定中斷事件能夠喚醒NUC1xx，使其恢復(fù)工作狀態(tài)。在Power Down模式下，NUC1xx提供了GPIO、USB、UART、RTC、ACMP和CAN的中斷喚醒方式。

要進(jìn)入Power Down省電模式，除了必須呼叫WFI/WFE指令外，在調(diào)用WFI/WFE指令之前，必須另將PD_WAIT_CPU和PWR_DOWN_EN兩個(gè)功能依序打開。已確保CPU先進(jìn)入Sleep模式后，系統(tǒng)再進(jìn)入Power Down模式，此時(shí)NUc1xx是屬于最省電的狀態(tài)，耗電量將降到約15uA。

一旦NUC1xx進(jìn)入Power Down省電模式，由于大部分的邏輯電路都進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，因此要想喚醒CPU，必須經(jīng)由特殊定義的中斷源來喚醒。在Idle省電模式下，只要有任何中斷即可喚醒CPU不同，不過相同的是，兩者都必須要在進(jìn)入省電模式前，先設(shè)定好將來要用來喚醒CPU的模塊，這包括其中斷或喚醒功能，這些為了喚醒CPU的準(zhǔn)備都完成之后，才能進(jìn)入省電模式，否則就沒有任何方式能夠再喚醒CPU了。

由于所謂的Power Down省電模式，實(shí)際上是把晶振的時(shí)鐘關(guān)閉，讓整個(gè)NUC1xx呈現(xiàn)靜止的狀態(tài)。而因?yàn)榫д褚脖魂P(guān)閉了，一旦有喚醒中斷事件發(fā)生，需要等到晶振穩(wěn)定下來后，CPU才能繼續(xù)運(yùn)作，所以由Power Down進(jìn)入一般的工作模式，會(huì)需要延遲一點(diǎn)時(shí)間來等待，而NUC1xx系列所提供的延遲時(shí)間預(yù)設(shè)為4096個(gè)clock cycle。以12MHz來計(jì)算，延遲時(shí)間為(1/12MHz)*4096=341.12us(圖2中的T2)，而晶振起振所需時(shí)間(圖2中的T1)則會(huì)隨著晶振頻率、品牌、PCB 布線等都會(huì)造成少許差異。一般而言, 12MHz晶振起振所需時(shí)間約1~2ms。實(shí)際量測范例數(shù)據(jù)如圖2所示。

本文小結(jié)

本文介紹了新唐科技NUC1xx所提供的各種省電方式，包括了關(guān)閉沒用到的模塊、調(diào)整CPU運(yùn)作的時(shí)鐘、Idle省電模式與Power Down省電模式。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，使用者可以根據(jù)自身所需，選擇適合的方式，甚至組合不同的省電方法以達(dá)到最佳的省電效率。