單片機系統(tǒng)的低功耗設計策略

1、單片機系統(tǒng)的低功耗設計策略摘要：嵌入式系統(tǒng)的低功耗設計需要全面分析各方面因素，統(tǒng)籌規(guī)劃。在設計之初，各個因素往往是相互制約、相互影響的，一個降低系統(tǒng)功耗的措施有時會帶來其他方面的“負效應”。因此，降低系統(tǒng)整體功耗，需要仔細分析和計算。本文從硬件和應用軟件設計兩個方面，闡述一個以單片機為核心的嵌入式系統(tǒng)低功耗設計時所需考慮的一些問題。關鍵詞：低功耗設計 硬件設計 應用軟件設計 低功耗模式在嵌入式應用中，系統(tǒng)的功耗越來越受到人們的重視，這一點對于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)尤其明顯。降低系統(tǒng)功耗，延長電池的壽命，就是降低系統(tǒng)的運行成本。對于以單片機為核心的嵌入式應用，系統(tǒng)功耗的最小化需要從軟、硬件設計

2、兩方面入手。隨著著越來越越多的嵌嵌入式應應用使用用了實時時操作系系統(tǒng)，如如何在操操作系統(tǒng)統(tǒng)層面上上降低系系統(tǒng)功耗耗也成為為一個值值得關注注的問題題。限于于篇幅，本文僅僅從硬件件設計和和應用軟軟件設計計兩個方方面討論論。1 硬硬件設計計選用用具有低低功耗特特性的單單片機可可以大大大降低系系統(tǒng)功耗耗?？梢砸詮墓╇婋婋妷?、單片機機內部結結構設計計、系統(tǒng)統(tǒng)時鐘設設計和低低功耗模模式等幾幾方面考考察一款款單片機機的低功功耗特性性。1.1 選用用盡量簡簡單的CCPU內內核在選選擇CPPU內核核時切忌忌一味追追求性能能。8位位機夠用用，就沒沒有必要要選用116位機機，選擇擇的原則則應該是是“夠用用就好”。現(xiàn)

3、在在單片機機的運行行速度越越來越快快，但性性能的提提升往往往帶來功功耗的增增加。一一個復雜雜的CPPU集成成度高、功能強強，但片片內晶體體管多，總漏電電流大，即使進進入STTOP狀狀態(tài)，漏漏電流也也變得不不可忽視視；而簡簡單的CCPU內內核不僅僅功耗低低，成本本也低。1.2 選擇擇低電壓壓供電的的系統(tǒng)降低低單片機機的供電電電壓可可以有效效地降低低其功耗耗。當前前，單片片機從與與TTLL兼容的的5 VV供電降降低到33.3 V、33 V、2 VV乃至11.8 V供電電。供電電電壓降降下來，要歸功功于半導導體工藝藝的發(fā)展展。從原原來的33 mm工藝到到現(xiàn)在的的0.225、00.188、0.13 m

4、工工藝， CMOOS電路路的門限限電平閾閾值不斷斷降低。低電壓壓供電可可以大大大降低系系統(tǒng)的工工作電流流，但是是由于晶晶體管的的尺寸不不斷減小小，管子子的漏電電流有增增大的趨趨勢，這這也是對對降低功功耗不利利的一個個方面。目前前，單片片機系統(tǒng)統(tǒng)的電源源電壓仍仍以5 V為主主，而過過去5年年中，33 V供供電的單單片機系系統(tǒng)數(shù)量量增加了了1倍，2 VV供電的的系統(tǒng)也也在不斷斷增加。再過五五年，低低電壓供供電的單單片機數(shù)數(shù)量可能能會超過過5 VV電壓供供電的單單片機。如此看看來，供供電電壓壓降低將將是未來來單片機機發(fā)展的的一個重重要趨勢勢。1.3 選擇擇帶有低低功耗模模式的系系統(tǒng)低功功耗模式式指的

5、是是系統(tǒng)的的等待和和停止模模式。處處于這類類模式下下的單片片機功耗耗將大大大小于運運行模式式下的功功耗。過過去傳統(tǒng)統(tǒng)的單片片機，在在運行模模式下有有waiit和sstopp兩條指指令，可可以使單單片機進進入等待待或停止止狀態(tài)，以達到到省電的的目的。等待待模式下下，CPPU停止止工作，但系統(tǒng)統(tǒng)時鐘并并不停止止，單片片機的外外圍I/O模塊塊也不停停止工作作；系統(tǒng)統(tǒng)功耗一一般降低低有限，相當于于工作模模式的550%70%。停止止模式下下，系統(tǒng)統(tǒng)時鐘也也將停止止，由外外部事件件中斷重重新啟動動時鐘系系統(tǒng)時鐘鐘，進而而喚醒CCPU繼繼續(xù)工作作，CPPU消耗耗電流可可降到A級。在停止止模式下下，CPPU本

6、身身實際上上已經(jīng)不不消耗什什么電流流，要想想進一步步減小系系統(tǒng)功耗耗，就要要盡量將將單片機機的各個個I/OO模塊關關掉。隨隨著I/O模塊塊的逐個個關閉，系統(tǒng)的的功耗越越來越小小，進入入停止模模式的深深度也越越來越深深。進入入深度停停止模式式無異于于關機，這時的的單片機機耗電可可以小于于20 nA。其中特特別要提提示的是是，片內內RAMM停止供供電后，RAMM中存儲儲的數(shù)據(jù)據(jù)會丟失失，也就就是說，喚醒CCPU后后要重新新對系統(tǒng)統(tǒng)作初始始化。因因此在讓讓系統(tǒng)進進入深度度停止狀狀態(tài)前，要將重重要系統(tǒng)統(tǒng)參數(shù)保保存在非非易失性性存儲器器中，如如EEPPROMM中。深深度停止止模式關關掉了所所有的II/O

7、，可能的的喚醒方方式也很很有限，一般只只能是復復位或IIRQ中中斷等。保留留的I/O模塊塊越多，系統(tǒng)允允許的喚喚醒中斷斷源也就就越多。單片機機的功耗耗將根據(jù)據(jù)保留喚喚醒方式式的不同同，降至至1AA至幾十十A之之間。例例如，用用戶可以以保留外外部鍵盤盤中斷，保留異異步串行行口（SSCI）接收數(shù)數(shù)據(jù)中斷斷等來喚喚醒CPPU。保保留的喚喚醒方式式越多，系統(tǒng)耗耗電也就就會多一一些。其其他可能能的喚醒醒方式還還有實時時鐘喚醒醒、看門門狗喚醒醒等。停停機狀態(tài)態(tài)較淺的的情況下下，外部部晶振電電路還是是工作的的。圖11以Frreesscalle的HHCS008單片片機為例例，給出出不同運運行模式式下的系系統(tǒng)功

8、耗耗。HCCS088是8位位單片機機，有多多個系列列，各系系列I/O模塊塊數(shù)目有有所不同同，但低低功耗模模式下的的電流消消耗大致致相同。圖1 HCSS08單單片機各各模式下下的耗電電以RR系列單單片機為為例：在在室溫（25）下，不包括括I/OO口的負負載，以以2 VV供電，將可編編程鎖相相環(huán)時鐘鐘設為116 MMHz（總線時時鐘8 MHzz），典典型電流流值為22.6 mA，當溫度度升高到到85時，供供電電流流也升高高到3.6 mmA；而而采用33 V供供電，這這一組數(shù)數(shù)據(jù)升高高至3.8 mmA和44.8 mA。用2 V供電電，直接接使用外外部晶振振2 MMHz（總線時時鐘1 MHzz）時，典

9、型運運行電流流降至4450 A。在等待待狀態(tài)下下，因時時鐘并沒沒有停止止，耗電電情況和和時鐘頻頻率有很很大關系系，節(jié)省省的功耗耗有限；而進入入輕度停停止（sstopp3），以外部部中斷喚喚醒，電電流消耗耗在0. 5 A左左右。在在中度停停止態(tài)（stoop2），功耗耗可進一一步降低低。使用用內部11 kHHz的時時鐘，保保持1個個運行的的時鐘，周期性性喚醒CCPU，所增加加的電流流約為00.3 A。在深度度停止態(tài)態(tài)（sttop11），RRAM的的數(shù)據(jù)也也不再保保留，只只能通過過外部復復位重啟啟系統(tǒng)，此時的的電流消消耗可降降到200 nAA。以上上數(shù)據(jù)都都是在室室溫下測測量所得得。當環(huán)環(huán)境溫度度升

10、高到到85時，電電流消耗耗可能增增加35倍。1.4 選擇擇合適的的時鐘方方案時鐘鐘的選擇擇對于系系統(tǒng)功耗耗相當敏敏感，設設計者需需要注意意兩個方方面的問問題：第一一是系統(tǒng)統(tǒng)總線頻頻率應當當盡量低低。單片片機內部部的總電電流消耗耗可分為為兩部分分運運行電流流和漏電電流。理理想的CCMOSS開關電電路，在在保持輸輸出狀態(tài)態(tài)不變時時，是不不消耗功功率的。例如，典型的的CMOOS反相相器電路路，如圖圖2所示示，當輸輸入端為為零時，輸出端端為1，P晶體體管導通通，N晶晶體管截截止，沒沒有電流流流過。而實際際上，由由于N晶晶體管存存在一定定漏電流流，且隨隨集成度度提高，管基越越薄，漏漏電流會會加大。溫度升

11、升高，CCMOSS翻轉閾閾電壓會會降低，而漏電電流則隨隨環(huán)境溫溫度的增增高變大大。在單單片機運運行時，開關電電路不斷斷由“11”變“0”、由“00”變“1”，消耗的的功率是是由單片片機運行行引起的的，我們們稱之為為“運行行電流”。如圖圖2所示示，在兩兩只晶體體管互相相變換導導通、截截止狀態(tài)態(tài)時，由由于兩只只管子的的開關延延遲時間間不可能能完全一一致，在在某一瞬瞬間會有有兩只管管子同時時導通的的情況，此時電電源到地地之間會會有一個個瞬間較較大的電電流，這這是單片片機運行行電流的的主要來來源?？煽梢钥闯龀?，運行行電流幾幾乎是和和單片機機的時鐘鐘頻率成成正比的的，因此此盡量降降低系統(tǒng)統(tǒng)時鐘的的運行頻

12、頻率可以以有效地地降低系系統(tǒng)功耗耗。圖2 典型的的CMOOS反相相器第二二是時鐘鐘方案，也就是是是否使使用鎖相相環(huán)、使使用外部部晶振還還是內部部晶振等等問題。新一代代的單片片機，如如飛思卡卡爾的HHCS008系列列單片機機，片內內帶有內內部晶振振，可以以直接作作為時鐘鐘源。使使用片內內晶振的的優(yōu)點是是可以省省掉片外外晶振，降低系系統(tǒng)的硬硬件成本本；缺點點是片內內晶振的的精度不不高（誤誤差一般般在255%左右右，即使使校準之之后也可可能有22%的相相對誤差差），而而且會增增加系統(tǒng)統(tǒng)的功耗耗。 現(xiàn)代代單片機機普遍采采用鎖相相環(huán)技術術，使單單片機的的時鐘頻頻率可由由程序控控制。鎖鎖相環(huán)允允許用戶戶在

13、片外外使用頻頻率較低低的晶振振，可以以很大地地減小板板級噪聲聲；而且且，由于于時鐘頻頻率可由由程序控控制，系系統(tǒng)時鐘鐘可以在在一個很很寬的范范圍內調調整，總總線頻率率往往能能升得很很高。但但是，使使用鎖相相環(huán)也會會帶來額額外的功功率消耗耗。單就就時鐘方方案來講講，使用用外部晶晶振且不不使用鎖鎖相環(huán)是是功率消消耗最小小的一種種。2 應應用軟件件方面的的考慮之所所以使用用“應用用軟件”的說法法，是為為了區(qū)分分于“系系統(tǒng)軟件件”或者者“實時時操作系系統(tǒng)”。軟件對對于一個個低功耗耗系統(tǒng)的的重要性性常常被被人們忽忽略。一一個重要要的原因因是，軟軟件上的的缺陷并并不像硬硬件那樣樣容易發(fā)發(fā)現(xiàn)，同同時也沒沒有

14、一個個嚴格的的標準來來判斷一一個軟件件的低功功耗特性性。盡管管如此，設計者者仍需盡盡量將應應用的低低功耗特特性反映映在軟件件中，以以避免那那些“看看不見”的功耗耗損失。2.1 用“中斷”代替“查詢”一個個程序使使用中斷斷方式還還是查詢詢方式對對于一些些簡單的的應用并并不那么么重要，但在其其低功耗耗特性上上卻相去去甚遠。使用中中斷方式式，CPPU可以以什么都都不做，甚至可可以進入入等待模模式或停停止模式式；而查查詢方式式下，CCPU必必須不停停地訪問問I/OO寄存器器，這會會帶來很很多額外外的功耗耗。2.2 用“宏”代代替“子子程序”程序序員必須須清楚，讀RAAM會比比讀Fllashh帶來更更大

15、的功功耗。正正是因為為如此，低功耗耗性能突突出的AARM在在CPUU設計上上僅允許許一次子子程序調調用。因因為CPPU進入入子程序序時，會會首先將將當前CCPU寄寄存器推推入堆棧棧（RAAM），在離開開時又將將CPUU寄存器器彈出堆堆棧，這這樣至少少帶來兩兩次對RRAM的的操作。因此，程序員員可以考考慮用宏宏定義來來代替子子程序調調用。對對于程序序員，調調用一個個子程序序還是一一個宏在在程序寫寫法上并并沒有什什么不同同，但宏宏會在編編譯時展展開，CCPU只只是順序序執(zhí)行指指令，避避免了調調用子程程序。唯唯一的問問題似乎乎是代碼碼量的增增加。目目前，單單片機的的片內FFlassh越來來越大，對于

16、一一些不在在乎程序序代碼量量大一些些的應用用，這種種做法無無疑會降降低系統(tǒng)統(tǒng)的功耗耗。2.3 盡量量減少CCPU的的運算量量減少少CPUU運算的的工作可可以從很很多方面面入手：將一些些運算的的結果預預先算好好，放在在Flaash中中，用查查表的方方法替代代實時的的計算，減少CCPU的的運算工工作量，可以有有效地降降低CPPU的功功耗（很很多單片片機都有有快速有有效的查查表指令令和尋址址方式，用以優(yōu)優(yōu)化查表表算法）；不可可避免的的實時計計算，算算到精度度夠了就就結束，避免“過度”的計算算；盡量量使用短短的數(shù)據(jù)據(jù)類型，例如，盡量使使用字符符型的88位數(shù)據(jù)據(jù)替代116位的的整型數(shù)數(shù)據(jù)，盡盡量使用用分數(shù)運運算而避避免浮點點數(shù)運算算等。2.4 讓II/O模模塊間歇歇運行不用用的I/O模塊塊或間歇歇使用的的I/OO模塊要要及時關關掉，以以節(jié)省電電能。RRS2332的驅驅動需要要相當?shù)牡墓β?，可以用用單片機機的一個個I/OO引腳來來控制，在不需需要通信信時，將將驅動關關掉。不不用的II/O引引腳要設設置成輸輸出或設設置成輸輸入，用用上拉電電阻拉高高。因為為如果引引腳沒有有初始化化，可能能會增大大單片機機的漏電電流。特特別要注注意有些些簡單封封裝的單單片機