單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計策略
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1.4選擇合適的時鐘方案
時鐘的選擇對于系統(tǒng)功耗相當(dāng)敏感，設(shè)計者需要注意兩個方面的問題：
第一是系統(tǒng)總線頻率應(yīng)當(dāng)盡量低。單片機(jī)內(nèi)部的總電流消耗可分為兩部分——運(yùn)行電流和漏電流。理想的CMOS開關(guān)電路，在保持輸出狀態(tài)不變時，是不消耗功率的。例如，典型的CMOS反相器電路，如圖2所示，當(dāng)輸入端為零時，輸出端為1，P晶體管導(dǎo)通，N晶體管截止，沒有電流流過。而實際上，由于N晶體管存在一定漏電流，且隨集成度提高，管基越薄，漏電流會加大。溫度升高，CMOS翻轉(zhuǎn)閾電壓會降低，而漏電流則隨環(huán)境溫度的增高變大。在單片機(jī)運(yùn)行時，開關(guān)電路不斷由“1”變“0”、由“0”變“1”，消耗的功率是由單片機(jī)運(yùn)行引起的，我們稱之為“運(yùn)行電流”。如圖2所示，在兩只晶體管互相變換導(dǎo)通、截止?fàn)顟B(tài)時，由于兩只管子的開關(guān)延遲時間不可能完全一致，在某一瞬間會有兩只管子同時導(dǎo)通的情況，此時電源到地之間會有一個瞬間較大的電流，這是單片機(jī)運(yùn)行電流的主要來源?？梢钥闯?，運(yùn)行電流幾乎是和單片機(jī)的時鐘頻率成正比的，因此盡量降低系統(tǒng)時鐘的運(yùn)行頻率可以有效地降低系統(tǒng)功耗?！ ?BR>
圖2典型的CMOS反相器
第二是時鐘方案，也就是是否使用鎖相環(huán)、使用外部晶振還是內(nèi)部晶振等問題。新一代的單片機(jī)，如飛思卡爾的HCS08系列單片機(jī)，片內(nèi)帶有內(nèi)部晶振，可以直接作為時鐘源。使用片內(nèi)晶振的優(yōu)點(diǎn)是可以省掉片外晶振，降低系統(tǒng)的硬件成本；缺點(diǎn)是片內(nèi)晶振的精度不高（誤差一般在25%左右，即使校準(zhǔn)之后也可能有2%的相對誤差），而且會增加系統(tǒng)的功耗?！ ?BR>現(xiàn)代單片機(jī)普遍采用鎖相環(huán)技術(shù)，使單片機(jī)的時鐘頻率可由程序控制。鎖相環(huán)允許用戶在片外使用頻率較低的晶振，可以很大地減小板級噪聲；而且，由于時鐘頻率可由程序控制，系統(tǒng)時鐘可以在一個很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，總線頻率往往能升得很高。但是，使用鎖相環(huán)也會帶來額外的功率消耗?！ ?BR>單就時鐘方案來講，使用外部晶振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。
2 應(yīng)用軟件方面的考慮
之所以使用“應(yīng)用軟件?
1;的說法，是為了區(qū)分于“系統(tǒng)軟件”或者“實時操作系統(tǒng)”。軟件對于一個低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時也沒有一個嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷一個軟件的低功耗特性。盡管如此，設(shè)計者仍需盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，以避免那些“看不見”的功耗損失。
2.1 用“中斷”代替“查詢”
一個程序使用中斷方式還是查詢方式對于一些簡單的應(yīng)用并不那么重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠(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；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I/O寄存器，這會帶來很多額外的功耗。
2.2 用“宏”代替“子程序”
程序員必須清楚，讀RAM會比讀Flash帶來更大的功耗。正是因為如此，低功耗性能突出的ARM在CPU設(shè)計上僅允許一次子程序調(diào)用。因為CPU進(jìn)入子程序時，會首先將當(dāng)前CPU寄存器推入堆棧（RAM），在離開時又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對RAM的操作。因此，程序員可以考慮用宏定義來代替子程序調(diào)用。對于程序員，調(diào)用一個子程序還是一個宏在程序?qū)懛ㄉ喜]有什么不同，但宏會在編譯時展開，CPU只是順序執(zhí)行指令，避免了調(diào)用子程序。唯一的問題似乎是代碼量的增加。目前，單片機(jī)的片內(nèi)Flash越來越大，對于一些不在乎程序代碼量大一些的應(yīng)用，這種做法無疑會降低系統(tǒng)的功耗。
2.3 盡量減少CPU的運(yùn)算量
減少CPU運(yùn)算的工作可以從很多方面入手：將一些運(yùn)算的結(jié)果預(yù)先算好，放在Flash中，用查表的方法替代實時的計算，減少CPU的運(yùn)算工作量，可以有效地降低CPU的功耗（很多單片機(jī)都有快速有效的查表指令和尋址方式，用以優(yōu)化查表算法）；不可避免的實時計算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過度”的計算；盡量使用短的數(shù)據(jù)類型，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。
2.4 讓I/O模塊間歇運(yùn)行
不用的I/O模塊或間歇使用的I/O模塊要及時關(guān)掉，以節(jié)省電能。RS232的驅(qū)動需要相當(dāng)?shù)墓β?，可以用單片機(jī)的一個I/O引腳來控制，在不需要通信時，將驅(qū)動關(guān)掉。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。因為如果引腳沒有初始化，可能會增大單片機(jī)的漏電流。特別要注意有些簡單封裝的單片機(jī)沒有把個別I/O引腳引出來，對這些看不見的I/O引腳也不應(yīng)忘記初始化。
3 結(jié)論
一個成功的低功耗設(shè)計應(yīng)該是硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的結(jié)合。從硬件設(shè)計開始，就應(yīng)該充分意識到一個低功耗應(yīng)用的特性，選擇一款合適的單片機(jī)，通過對其特性的了解，設(shè)計系統(tǒng)方案；在軟件設(shè)計上，要考慮到低功耗編程的特殊性，并盡量使用單片機(jī)的低功耗模式?！ ?BR>限于篇幅，僅僅討論了低功耗設(shè)計中的一些常見問題，更多的問題只能靠設(shè)計者去實際分析和解決了?！ ?
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