許多應(yīng)用依靠微控制器來(lái)提供高性能，同時(shí)限度地降低功耗。微控制器的總體功耗取決于設(shè)備的功能和設(shè)計(jì)師對(duì)如何利用設(shè)備功能的理解。本文簡(jiǎn)要介紹影響功耗的硅技術(shù)元素，提供如何在普通設(shè)計(jì)中利用硅技術(shù)的指南，詳細(xì)介紹如何利用飛思卡爾S12XE雙核微控制器的特殊功能來(lái)優(yōu)化功耗。
2. 功耗模式
嵌入式應(yīng)用的運(yùn)行行為可以分為兩大運(yùn)行狀態(tài)，即所謂的“運(yùn)行模式”和“低功耗模式”。在運(yùn)行模式中，應(yīng)用全面運(yùn)行，并從電源獲取電流來(lái)執(zhí)行其功能。在低功耗模式中，應(yīng)用通常處于修面狀態(tài)，將功率降到盡可能低的水平。
集成電路設(shè)計(jì)的兩個(gè)不同特征會(huì)影響兩種不同運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)這種根本影響的全面了解可能會(huì)對(duì)應(yīng)用的終功率要求產(chǎn)生極大影響。
3. 集成電路工作
圖1顯示了CMOS設(shè)計(jì)中常用的一種簡(jiǎn)化的逆變電路。該電路依賴(lài)兩個(gè)根據(jù)輸入信號(hào)開(kāi)啟或關(guān)閉的MOSFET。在穩(wěn)態(tài)情況下，圖中顯示的T1處于打開(kāi)狀態(tài)，T2處于關(guān)閉狀態(tài)。從理論上講，電流不會(huì)通過(guò)T2，但實(shí)際上會(huì)有少量電流漏過(guò)此門(mén)。這被稱(chēng)為閾下或信道漏電，其具體數(shù)值取決于晶體管的設(shè)計(jì)，尤其是晶體管的工作電壓。該門(mén)內(nèi)有寄生二極管產(chǎn)生的次要影響，寄生二極管位于晶體管和晶體管所在的底板之間。
通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程可以限度地減少這種影響導(dǎo)致的漏電。然而，由于漏電的本質(zhì)特點(diǎn)，具體電流強(qiáng)度在溫度變化時(shí)是高度非線(xiàn)性的。在周?chē)h(huán)境溫度較低的情況下，停止電流（stop current）可能非常小——微控制器約為20–30 μA。然而，在溫度為125 °C時(shí)，電流可能會(huì)比這高20倍。
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| 圖1. CMOS門(mén)內(nèi)的運(yùn)行模式電流。 |
在門(mén)的瞬時(shí)行為中，功率要求是由于MOSFET的開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的，見(jiàn)圖2。門(mén)的開(kāi)關(guān)是根據(jù)輸入變化進(jìn)行的，所以晶體管T3和T4的狀態(tài)會(huì)從開(kāi)變?yōu)殛P(guān)（T3）或從關(guān)變?yōu)殚_(kāi)（T4）。這種狀態(tài)變化需要的時(shí)間很有限（通常是幾百PS秒），但在轉(zhuǎn)換過(guò)程中兩個(gè)晶體管都是通電的，因此電流會(huì)直接從VDD電線(xiàn)流到VSS線(xiàn)。門(mén)每一次開(kāi)關(guān)，都會(huì)消耗相同的電量，因此根據(jù)通用時(shí)鐘信號(hào)運(yùn)行的微控制器等設(shè)備的電流需求會(huì)有升降變化，具體取決于時(shí)鐘頻率。這種影響大部分是線(xiàn)性的，因此時(shí)鐘頻率翻倍通常會(huì)引起所需電力的翻倍。
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| 圖2. CMOS門(mén)中的運(yùn)行模式電流。 |
MCU的功率要求取決于它的運(yùn)行模式和環(huán)境條件。在運(yùn)行模式下，總線(xiàn)速度越快，耗費(fèi)的電流就越多；而在停止模式，主要影響因素很可能是溫度。對(duì)于大多數(shù)CMOS電路而言，運(yùn)行模式下所需的電流通常是低功耗模式下所需電流的好幾倍。
根據(jù)對(duì)CMOS行為的理解，我們可以為多種電子設(shè)計(jì)提出幾條建議。
在運(yùn)行模式下，電路以的可接受時(shí)鐘速度運(yùn)行時(shí)功率。通過(guò)控制PLL電路，我們通常可以動(dòng)態(tài)地改變應(yīng)用的運(yùn)行速度。這樣，我們就可以通過(guò)將應(yīng)用性能與其要求相匹配來(lái)降低平均功率要求。
可能時(shí)從運(yùn)行模式切換到低功耗模式可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功率要求。很多微控制器在低功耗模式下有不同的運(yùn)行水平。我們應(yīng)始終確保所選的低功耗模式使應(yīng)用可以正確應(yīng)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的變化。
4. 常用I/O 建議
大多數(shù)情況下，低功耗模式不會(huì)改變輸入/輸出針腳的狀態(tài)，這有可能對(duì)應(yīng)用的功率要求產(chǎn)生巨大影響。例如，驅(qū)動(dòng)LED的輸出針腳在開(kāi)啟狀態(tài)下會(huì)繼續(xù)耗用電源，即使是在低功耗模式運(yùn)行時(shí)也是如此，因此在進(jìn)入低功耗模式之前將所有輸出針腳設(shè)置為適當(dāng)狀態(tài)非常重要。同樣，在進(jìn)入低功耗模式之前還必須認(rèn)真考慮輸入針腳的狀態(tài)。正如我們?cè)趫D2中所見(jiàn)，晶體管上有輸入電壓，這使兩個(gè)晶體管都處于打開(kāi)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)，這可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成這種狀態(tài)。很多標(biāo)準(zhǔn)輸入端口都采用與這種門(mén)類(lèi)似的設(shè)計(jì)，并會(huì)以相同的方式消耗電源。主要區(qū)別在于，輸入電壓不是由芯片電源而是由外部電壓提供，因此不受MCU的控制。因此，我們可以為輸入線(xiàn)路接通中等電壓，使門(mén)將電流直接從VDD電線(xiàn)傳導(dǎo)到VSS線(xiàn)路。因此，對(duì)任何數(shù)字輸入針腳來(lái)說(shuō)，只接通數(shù)字電壓電平非常重要。
輸入針腳的另一個(gè)特點(diǎn)是輸入電阻通常非常高。這樣就會(huì)導(dǎo)致小電荷在輸入線(xiàn)路上累積并影響門(mén)的行為。實(shí)際上，這些電荷有可能會(huì)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，使門(mén)電壓處于中等范圍內(nèi)，這樣門(mén)又會(huì)消耗電流。因此，我們應(yīng)對(duì)輸入針腳進(jìn)行認(rèn)真分析，并在必要時(shí)強(qiáng)制它們進(jìn)入已知狀態(tài)。
該建議還適用于不允許所有I/O針腳連接到外面的封包中的MCU。在這種情況下，輸入針腳仍然存在，但不會(huì)在物理上連接到任何其他硬件上。這些針腳必須通過(guò)采用內(nèi)部牽引設(shè)備或修改為輸出的方法設(shè)置為已知狀態(tài)。如果不能正確處理這種浮動(dòng)輸入針腳，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)百毫安的功耗。
注意，盡管這些建議會(huì)對(duì)低功耗模式產(chǎn)生影響，但它們同樣適用于運(yùn)行模式。在運(yùn)行模式下，功率也可能以這種方式被浪費(fèi)。
5. S12XE系列產(chǎn)品上的具體微控制器特性
除了上述通用建議外，飛思卡爾還在S12XE系列設(shè)備中設(shè)計(jì)了多種節(jié)能特性。利用這些特性和通用建議，我們就可以大大優(yōu)化應(yīng)用的功耗。S12XE有三種主要的低功耗模式，它們是：
* 待機(jī)模式：完全關(guān)閉CPU，從而節(jié)約運(yùn)行CPU所需的功率。其他模塊也受不同級(jí)別的控制，但通常都可以選擇繼續(xù)運(yùn)行或停止。由于整個(gè)時(shí)鐘鏈都持續(xù)運(yùn)行，因此這種模式下的功耗節(jié)約很有限。
* 停止模式：這種模式下，晶體振蕩器停止運(yùn)行，從而將主時(shí)鐘從設(shè)備上斷開(kāi)，從而有效地使MCU停止所有操作。這是設(shè)備的功率配置。MCU上的幾個(gè)模塊提供重啟振蕩器和重啟代碼執(zhí)行的方式，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下應(yīng)用程序仍需要對(duì)系統(tǒng)事件作出響應(yīng)。此外，S12XE系列MCU包括還有一種選項(xiàng)，可以在一定時(shí)間過(guò)后喚醒設(shè)備。對(duì)必須定期檢查應(yīng)用內(nèi)傳感器狀態(tài)的系統(tǒng)而言，這是一種很有用的功能。這一時(shí)間段由嵌入到芯片電壓調(diào)整器（叫作自動(dòng)定期中斷，API）中的一個(gè)計(jì)時(shí)器決定。API從內(nèi)部RC振蕩器中運(yùn)行。這個(gè)內(nèi)部RC振蕩器在水晶振蕩器停止時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行。由于這種計(jì)時(shí)器具有根據(jù)時(shí)鐘進(jìn)行邏輯切換的功能，因此會(huì)增加設(shè)備需要的總電流。然而，總電流仍然低于振蕩器繼續(xù)運(yùn)行的模式下的總電流。
* 偽停止模式：顧名思義，這種模式具有停止模式的許多特征。二者時(shí)間的區(qū)別在于震蕩器繼續(xù)以更小的振幅運(yùn)行，從而使某些芯片系統(tǒng)可以繼續(xù)運(yùn)行。特別值得一提的是，這種模式下可使用實(shí)時(shí)中斷（RTI）和看門(mén)狗（COP）來(lái)提供精確的定時(shí)參考和系統(tǒng)保護(hù)。與停止模式相比，偽停止模式還能夠大大縮短重啟時(shí)間，因?yàn)樗?dòng)所花的時(shí)間減少。在所有模式下，外圍設(shè)備的配置和RAM內(nèi)容都會(huì)保存下來(lái)。
6. 低功率響應(yīng)
如果能夠?qū)ο到y(tǒng)中的事件作出響應(yīng)，應(yīng)用就能夠從微控制器的低功耗功能中受益。S12XE可以響應(yīng)多種不同類(lèi)型的系統(tǒng)事件，每一種事件詳細(xì)說(shuō)明如下。
數(shù)字輸入事件
這種系統(tǒng)事件的例子包括用戶(hù)發(fā)起的開(kāi)關(guān)操作或來(lái)自外部模塊或傳感器的簡(jiǎn)單邏輯電平變化。
S12XE包括專(zhuān)用IRQ或XIRQ中斷針腳和專(zhuān)門(mén)為檢測(cè)這種事件設(shè)計(jì)的廣泛鍵盤(pán)喚醒功能。這種輸入通常包括高電位或低電位事件的觸發(fā)選項(xiàng)，包括下拉（pull-down）或上拉（pull-up）設(shè)備。
在這種配置中，MCU可以置于停止模式，而不需要其他功能，然后在發(fā)生外部邏輯變化時(shí)會(huì)重新啟動(dòng)。這樣就可以確保只有在系統(tǒng)需要時(shí)MCU才能使用操作電流。
模擬輸入事件
這種事件發(fā)生在相連傳感器上檢測(cè)到特定的模擬值時(shí)。例子包括溫度傳感器和電池電量。
設(shè)計(jì)外部電路以在發(fā)生特定模擬事件時(shí)觸發(fā)非常簡(jiǎn)單。這種情況下很可能需要使用模擬比較儀來(lái)將模擬事件轉(zhuǎn)化為數(shù)字事件，還需要使用數(shù)字輸入事件技術(shù)進(jìn)行處理。
S12XE系列產(chǎn)品可使用芯片ATD轉(zhuǎn)換器提供更先進(jìn)的解決方案。這種轉(zhuǎn)換器有兩種功能可一同用于檢測(cè)模擬事件。首先，每個(gè)轉(zhuǎn)換信道上有一個(gè)數(shù)字比較儀，能夠進(jìn)行大于、小于或等于比較。正的比較結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致ATD發(fā)起中斷。其次，ATD模塊包含它自己的時(shí)鐘源（采用RC震蕩器形式）。這種內(nèi)部時(shí)鐘允許ATD進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即使在MCU處于停止模式時(shí)也可以如此。通過(guò)結(jié)合這種自我時(shí)鐘模式和比較儀功能，用戶(hù)可以配置ATD來(lái)檢測(cè)特定模擬事件并觸發(fā)中斷，從停止模式中重啟MCU。
當(dāng)模擬電壓下降到特定值以下或超過(guò)某數(shù)值時(shí)，這種結(jié)合也允許MCU重啟。
通信事件
在這種情況下，系統(tǒng)由來(lái)自其他模塊的信息喚醒。汽車(chē)領(lǐng)域的一個(gè)例子是CAN或LIN網(wǎng)絡(luò)上的信息，汽車(chē)?？亢篑{駛員回來(lái)時(shí)就是這種情況。汽車(chē)上鎖機(jī)制會(huì)檢測(cè)到車(chē)門(mén)被打開(kāi)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向車(chē)內(nèi)的其他模塊發(fā)出信號(hào)，喚醒它們。
S12XE系列允許CAN和SCI（用于LIN）端口檢測(cè)信息事件并在信息到達(dá)時(shí)觸發(fā)中斷。這種功能使通信端口可以從停止模式下重啟MCU。
定期事件
通常，系統(tǒng)必須定期重啟。這可能包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘的維護(hù)或需要定期檢查的外部系統(tǒng)。
在這種情況下，MCU的正確配置取決于定期重啟要求的精確性。如果需要精確喚醒時(shí)段（如實(shí)時(shí)時(shí)鐘維護(hù)），那么適當(dāng)?shù)牡凸哪Ｊ骄褪莻瓮Ｖ鼓Ｊ健Ｓ捎谶@種模式下水晶震蕩器一直運(yùn)行，因此它能夠提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。實(shí)時(shí)中斷將水晶時(shí)鐘用作時(shí)鐘源，可以從4MHz的水晶上提供250μs~800ms的超時(shí)時(shí)段。RTI可以選擇二進(jìn)制或十進(jìn)制分割器（divider）來(lái)取多種中間值。偽停止模式的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是COP能夠繼續(xù)運(yùn)行，因此定期代碼的運(yùn)行故障可能引起MCU的看門(mén)狗恢復(fù)。偽停止模式的主要缺點(diǎn)是水晶震蕩器會(huì)消耗額外的電流，因此它的功耗比停止模式大。
隨機(jī)和復(fù)雜事件
在很多情況下，MCU不可能通過(guò)外部活動(dòng)直接激活，而是需要更復(fù)雜或更主動(dòng)的系統(tǒng)檢查。這方面的例子包括掃描鍵盤(pán)和檢查外部外圍設(shè)備的狀態(tài)。
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| 圖3. 復(fù)雜事件處理實(shí)例。 |
這種事件的一個(gè)主要特征是大多數(shù)時(shí)間MCU將執(zhí)行狀態(tài)檢查，然后直接返回停止模式。只有在少數(shù)情況才重啟會(huì)使MCU在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于運(yùn)行模式。記住，功率利用效的配置必須采用API執(zhí)行定期喚醒并選用快速喚醒模式才能實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)合使MCU在停止模式時(shí)只消耗盡可能少的功率，在檢查系統(tǒng)狀態(tài)時(shí)限度地降低功耗并只在需要時(shí)才激活全面運(yùn)行模式。圖3顯示了這種應(yīng)用的流程。
7. 雙核架構(gòu)帶來(lái)的功率優(yōu)勢(shì)
S12X架構(gòu)采用XGATE協(xié)處理器。這是一種可獨(dú)立編程的RISC核心。XGATE的運(yùn)行速度是CPU時(shí)鐘速度的兩倍。與CPU不同的是，它不需要特別選擇停止模式，因?yàn)槌绦蜻\(yùn)行結(jié)束時(shí)它會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。
CPU和XGATE的架構(gòu)差異使功耗節(jié)約成為可能，因?yàn)樗鼈冞\(yùn)行時(shí)都使用大約相同的電流量。用少的時(shí)間完成特定任務(wù)的核心通常是功率利用效的解決方案。
為了了解核心架構(gòu)如何影響執(zhí)行速度，因此功耗考慮了圖4顯示的C程序。這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單的定期喚醒例子，它只在發(fā)生一些外部事件而且必須向系統(tǒng)提供變化指示時(shí)才會(huì)進(jìn)入運(yùn)行模式。代碼通過(guò)從API中接收中斷的方式執(zhí)行，它采用快速喚醒來(lái)將MCU從停止模式中喚醒。它掃描4個(gè)I/O端口并比較數(shù)值和RAM，每隔8次API中斷會(huì)亮一次指示燈。如果I/O數(shù)值不同于RAM中的值，它將啟動(dòng)水晶震蕩器。
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| 圖4. C編碼實(shí)例。 |
通過(guò)為XGATE和CPU編寫(xiě)C代碼，我們可以比較相對(duì)實(shí)施時(shí)間及功耗。如圖5所示，我們可以看到，XGATE完成程序所用的時(shí)間不到CPU完成程序的時(shí)間的一半，因此在這個(gè)例子中使用XGATE執(zhí)行低功率處理更為高效。
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| 圖5. C編碼性能。 |
實(shí)際上，所用處理器的選擇取決于所需處理功率的類(lèi)型。XGATE對(duì)涉及比特處理、轉(zhuǎn)換、比較和基于RAM的操作特別高效。當(dāng)需要數(shù)學(xué)計(jì)算或廣泛訪(fǎng)問(wèn)閃存時(shí)，CPU適合。這兩種內(nèi)核都可以輕松地使用C語(yǔ)言編程，因此在每個(gè)內(nèi)核上編寫(xiě)算法和測(cè)試性能非常簡(jiǎn)單。
8. 結(jié)語(yǔ)
CMOS微控制器的基礎(chǔ)技術(shù)決定了其功率要求的特點(diǎn)。這種理解連同半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的特定功能可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供很大的靈活性。飛思卡爾S12XE系列是具有大量專(zhuān)用特性可優(yōu)化性能和功耗的微控制器的一個(gè)例子。