了解電源和性能之間的平衡進(jìn)行有效的MCU設(shè)計(jì)

微控制器被用作幾乎每個(gè)應(yīng)用可以想象在主控制元件。他們的權(quán)力和靈活性，讓他們?nèi)サ浇M件的大多數(shù)設(shè)計(jì)的心臟。關(guān)鍵要建立高效的設(shè)計(jì)中使用的MCU往往依賴于使功耗和性能之間的智能權(quán)衡。許多MCU提供了幾個(gè)選項(xiàng)，可以限制MCU時(shí)鐘速率，因此，其性能的MCU供電。了解工作電壓和工作時(shí)鐘速率之間的公共關(guān)系可以是如何充分利用你的下一個(gè)MCU設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文將快速回顧一下一些常見的選項(xiàng)供電MCU和討論履行很可能導(dǎo)致所產(chǎn)生的制約。修改工作電壓在運(yùn)行時(shí)獲得的性能和能效的最佳組合常用的技術(shù)進(jìn)行探討，以幫助您選擇和實(shí)施你的下一個(gè)基于MCU的設(shè)計(jì)。

頻率與工作電壓 - 一個(gè)關(guān)鍵的性能考慮

一個(gè)性能和功耗之間的最根本的關(guān)系是MCU工作時(shí)的電壓。工作電源直接關(guān)系到工作電壓(由定義，因?yàn)楣β实扔陔妷撼艘?strong>電流)，如此清晰的動(dòng)作電力需求上，你會(huì)用你的設(shè)計(jì)的MCU決定何時(shí)是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。你可能會(huì)認(rèn)為，這意味著你應(yīng)該總是使用最低的功耗MCU，但是如果性能是設(shè)計(jì)中的所有問題，您將需要考慮工作頻率為關(guān)鍵要素，以及，一個(gè)MCU的工作頻率經(jīng)常被限制其工作電壓。許多的MCU廠家明白的工作電壓，工作頻率，MCU性能，和MCU操作功率之間的關(guān)系的重要性，并且它們提供不同級(jí)別的操作功率和工作頻率，以便更容易對(duì)設(shè)計(jì)的最佳擬合優(yōu)化到系統(tǒng)要求。作為一個(gè)例子，瑞薩RL78 MCU有四種不同的工作電壓范圍，每一個(gè)都支持不同的操作頻率，如下面的圖1。在1.6 V和1.8 V時(shí)，RL78可在1 MHz和4 MHz之間的任何地方運(yùn)行。間2.7 V和5.5 V時(shí)，可以在最多20兆赫運(yùn)行。因此，RL78可以操作快五倍，如果它使用2.7 V代替1.8伏，在工作電源電壓只增加了50%。

圖1：電壓與頻率圖瑞薩RL78 MCU。 (瑞薩提供)改善電源效率的上述關(guān)系時(shí)，在更高的電壓下工作是常見于許多MCU，并了解在電源效率是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要求是最重要的關(guān)系之一。在許多情況下，它更省電，以保持在盡可能低的功耗狀態(tài)的MCU，也許是一個(gè)低的睡眠模式，當(dāng)它需要做一些處理(也許采樣傳感器是否采取進(jìn)一步的行動(dòng)，看其喚醒需要采取)。當(dāng)需要處理它通常更省電以更快的頻率下運(yùn)行，以盡量減少在較高功率狀態(tài)的時(shí)間。如果處理可以做到5倍的速度，并只需一個(gè)操作功率增加50%，(如在RL78的情況下)，可以清楚地看到，所要求的總能量會(huì)少得多，因此這將是一個(gè)更節(jié)能的設(shè)計(jì)。

時(shí)鐘控制

的MCU操作的頻率是由一個(gè)時(shí)鐘控制塊管理;和許多時(shí)鐘控制塊具有的功能，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)鐘頻率，以這些塊，甚至關(guān)閉的時(shí)鐘功能沒有被在特定處理例程使用的動(dòng)態(tài)電流的量(所需的電流來改變一個(gè)信號(hào)或存儲(chǔ)元件的電壓電平)可以被調(diào)制，以便您使用的電流以最有效的方式。 (注意，基于電池的應(yīng)用，特別，是最新的意識(shí)的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗菑碾姵赝ǔＪ亲铌P(guān)鍵的約束所提供的總電流)。許多最常見的和有用的時(shí)鐘控制功能包含在Microchip的PIC32MX單片機(jī)的時(shí)鐘控制塊，對(duì)于大多數(shù)時(shí)鐘控制模塊示于圖2的出發(fā)點(diǎn)是時(shí)鐘源，并且通過具有多個(gè)源它使得有可能獨(dú)立地優(yōu)化的時(shí)鐘為多個(gè)模塊。例如，PIC32MX具有低功耗內(nèi)部RC振蕩器(LPRC圖2的底部附近)，可以當(dāng)極低速操作是可接受的被使用。它可以提供看門狗定時(shí)器(WDT)，這樣即使在非常低功耗模式這一關(guān)鍵計(jì)時(shí)器仍然可以使用。主振蕩器(POSC)使用一個(gè)外部晶體，以產(chǎn)生由該裝置的性能最高的部分的精確高速時(shí)鐘源的使用，并將該系統(tǒng)和USB鎖相環(huán)(在圖的頂部)。需要注意的是獨(dú)立的PLL也意味著USB操作可以獨(dú)立于系統(tǒng)時(shí)鐘，提供優(yōu)化的時(shí)鐘和潛在的節(jié)省功耗的級(jí)別?？焖賀C振蕩器(FRC)規(guī)定如果不需要外部振蕩器8 MHz的時(shí)鐘源，當(dāng)不需要的最高頻率和精度節(jié)省電路板空間，元件數(shù)量，或許省電。最后，輔助振蕩器可用于低功耗工作由外部32 kHz晶振。

圖2：在Microchip的PIC32MX1XX家庭時(shí)鐘控制模塊。 (微芯片提供)這財(cái)富時(shí)鐘源可以選擇和通過后的定標(biāo)器，預(yù)定標(biāo)器，和兩個(gè)主要的PLL來產(chǎn)生所需的裝置的各種子部分的頻率進(jìn)一步劃分。由16塊固定鴻溝和可選擇的FRC后scale分頻器(由FRCDIV輸入控制)創(chuàng)建CPU和外設(shè)(SYSCLK)主時(shí)鐘。外設(shè)時(shí)鐘可以通過附加的后分頻器被進(jìn)一步劃分為優(yōu)化外設(shè)時(shí)鐘速度，最大限度地減少在這些函數(shù)生成的動(dòng)態(tài)電流。許多在圖2所示的時(shí)鐘選項(xiàng)可以通過配置寄存器來控制或根據(jù)所需由編程的性能水平被自動(dòng)選擇?，F(xiàn)代的MCU更容易操作，甚至通過簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序接口(API)調(diào)用，簡(jiǎn)化和減少潛在沖突配置這些塊時(shí)“的手。”你看這些API的MCU廠商的文獻(xiàn)，軟件是最復(fù)雜的時(shí)鐘管理器工具 - 根據(jù)配置向?qū)Вa示例和參考設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程。

閃存的性能和時(shí)鐘頻率

在選擇的MCU時(shí)經(jīng)常被忽視的一個(gè)領(lǐng)域是代碼閃速存儲(chǔ)器的性能。一些MCU都有快速CPU周期時(shí)間，但這些快速的操作速度可以通過代碼或存儲(chǔ)在閃速存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)的訪問時(shí)間的限制。例如，在愛特梅爾AT32UC MCU閃光周期時(shí)間與工作頻率，如下面的圖3。當(dāng)在33兆赫和由此所讀訪問時(shí)間只需要一個(gè)周期的閃光等待狀態(tài)(FWS)的數(shù)目是零。在66兆赫工作頻率快速存儲(chǔ)器插入FWS，所以存取時(shí)間需要兩個(gè)周期。因此，你可能希望最后得到33 MHz的有效工作頻率，具有66 MHz的時(shí)鐘運(yùn)行時(shí)也是如此。 MCU制造商已經(jīng)開發(fā)出多種方法卻減輕了等待狀態(tài)插入，這樣你通常支付比全開銷要少得多。

圖3：閃存等待狀態(tài)愛特梅爾AVR MCU AT32UC。 (愛特梅爾提供)的一種方法，以減輕閃存等待狀態(tài)是管道中的閃存接口，這是愛特梅爾AT32UC MCU所采​​取的辦法。這種流水線方式允許突發(fā)來自連續(xù)存儲(chǔ)位置讀取(通過代碼存儲(chǔ)器訪問到目前為止，絕大多數(shù)都是連續(xù)的，因?yàn)槟阃ǔＶ怀掷m(xù)到下一個(gè)指令)不讀罰款。這導(dǎo)致只有15%在有效時(shí)間周期的平均開銷，不是完整的100%，否則你可能期望。以減輕慢速閃光訪問另一種常見的方法是使用本地存儲(chǔ)器緩存以便反復(fù)訪問可以使用已經(jīng)獲取的數(shù)據(jù)，并且不要求完全讀較慢閃存塊。你應(yīng)該總是仔細(xì)看看閃存存取和整體處理性能之間的相互作用在您的設(shè)計(jì)，以確定影響你的選擇的時(shí)鐘速度將對(duì)整體處理性能。

只需將其關(guān)閉

其中操作最省電的模式的MCU是剛剛關(guān)閉設(shè)備完全實(shí)現(xiàn)了零功耗。該MCU性能也有效零為好，所以這可能似乎不是一個(gè)非常有用的方法，如果你需要確保某些操作最小量總是發(fā)生。例如，你可能需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘保持精確的時(shí)間記錄，甚至當(dāng)設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)。幸運(yùn)的是，一些MCU可在電池備份模式下運(yùn)行，這樣，如果所述裝置的其余部分?jǐn)嚯姇r(shí)簡(jiǎn)單的操作可以繼續(xù)連。德州儀器(TI)提供了MSP430x5xx / 6xx系列MCU系列正是這樣的能力。如圖4所示，電池備份塊從輔助電源(VBAT)如果主電源(DVCC)失敗供給子系統(tǒng)。備份提供的子系統(tǒng)通常含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊(連同所需LF-晶體振蕩器)和一個(gè)備用RAM。塊的各種操作由寄存器位(與“BAK”前綴信號(hào))控制，使得充電，選擇，和ADC操作可以由處理器全部進(jìn)行管理。當(dāng)一個(gè)RTC和備份SRAM是必需的，他們可以逃跑電池電壓和RTC甚至可以用來“打開”，MCU的周期性操作的其余部分。這樣可以節(jié)省電源的最高金額，并創(chuàng)造了一個(gè)非常節(jié)省空間的和高能效控制系統(tǒng)，完全關(guān)閉(在零頻率運(yùn)行)的CPU散熱的同時(shí)非常少(幾乎為零)系統(tǒng)上電也許是極致的動(dòng)力性能

權(quán)衡。

圖4：德州儀器(TI)MSP430x5xx / 6xx系列單片機(jī)系列電池備份子系統(tǒng)。 (德州儀器提供)

摘要

關(guān)鍵要建立高效的設(shè)計(jì)中使用的MCU往往依賴于使功耗和性能之間的智能權(quán)衡。許多MCU提供幾個(gè)選項(xiàng)，可以限制在MCU時(shí)鐘速率，因此，其性能在MCU供電。管理時(shí)鐘，選擇合適的工作電壓電平，并了解電壓等級(jí)和閃光燈性能之間的關(guān)系都是至關(guān)重要的，以創(chuàng)造最節(jié)能的MCU設(shè)計(jì)成為可能。