單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)
在嵌入式應(yīng)用中，系統(tǒng)的功耗越來越受到人們的重視，這一點(diǎn)對(duì)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(yùn)行成本。對(duì)于以單片機(jī)為核心的嵌入式應(yīng)用，系統(tǒng)功耗的最小化需要從軟、硬件設(shè)計(jì)兩方面入手。
隨著越來越多的嵌入式應(yīng)用使用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，如何在操作系統(tǒng)層面上降低系統(tǒng)功耗也成為一個(gè)值得關(guān)注的問題。限于篇幅，本文僅從硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面討論。
1 硬件設(shè)計(jì)
選用具有低功耗特性的單片機(jī)可以大大降低系統(tǒng)功耗？梢詮墓╇婋妷、單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)和低功耗模式等幾方面考察一款單片機(jī)的低功耗特性。
1.1 選用盡量簡單的CPU內(nèi)核
在選擇CPU內(nèi)核時(shí)切忌一味追求性能。8位機(jī)夠用，就沒有必要選用16位機(jī)，選擇的原則應(yīng)該是“夠用就好”，F(xiàn)在單片機(jī)的運(yùn)行速度越來越快，但性能的提升往往帶來功耗的增加。一個(gè)復(fù)雜的CPU集成度高、功能強(qiáng)，但片內(nèi)晶體管多，總漏電流大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也變得不可忽視；而簡單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。
1.2 選擇低電壓供電的系統(tǒng)
降低單片機(jī)的供電電壓可以有效地降低其功耗。當(dāng)前，單片機(jī)從與TTL兼容的5 V供電降低到3.3 V、3 V、2 V乃至1.8 V供電。供電電壓降下來，要?dú)w功于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。從原來的3 μm工藝到現(xiàn)在的0.25、0.18、0.13 μm工藝， CMOS電路的門限電平閾值不斷降低。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流，但是由于晶體管的尺寸不斷減小，管子的漏電流有增大的趨勢(shì)，這也是對(duì)降低功耗不利的一個(gè)方面。
目前，單片機(jī)系統(tǒng)的電源電壓仍以5 V為主，而過去5年中，3 V供電的單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)量增加了1倍，2 V供電的系統(tǒng)也在不斷增加。再過五年，低電壓供電的單片機(jī)數(shù)量可能會(huì)超過5 V電壓供電的單片機(jī)。如此看來，供電電壓降低將是未來單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。
1.3 選擇帶有低功耗模式的系統(tǒng)
低功耗模式指的是系統(tǒng)的等待和停止模式。處于這類模式下的單片機(jī)功耗將大大小于運(yùn)行模式下的功耗。過去傳統(tǒng)的單片機(jī)，在運(yùn)行模式下有wait和stop兩條指令，可以使單片機(jī)進(jìn)入等待或停止?fàn)顟B(tài)，以達(dá)到省電的目的。
等待模式下，CPU停止工作，但系統(tǒng)時(shí)鐘并不停止，單片機(jī)的外圍I/O模塊也不停止工作；系統(tǒng)功耗一般降低有限，相當(dāng)于工作模式的50%～70%。
停止模式下，系統(tǒng)時(shí)鐘也將停止，由外部事件中斷重新啟動(dòng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘，進(jìn)而喚醒CPU繼續(xù)工作，CPU消耗電流可降到μA級(jí)。在停止模式下，CPU本身實(shí)際上已經(jīng)不消耗什么電流，要想進(jìn)一步減小系統(tǒng)功耗，就要盡量將單片機(jī)的各個(gè)I/O模塊關(guān)掉。隨著I/O模塊的逐個(gè)關(guān)閉，系統(tǒng)的功耗越來越小，進(jìn)入停止模式的深度也越來越深。進(jìn)入深度停止模式無異于關(guān)機(jī)，這時(shí)的單片機(jī)耗電可以小于20 nA。其中特別要提示的是，片內(nèi)RAM停止供電后，RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，也就是說，喚醒CPU后要重新對(duì)系統(tǒng)作初始化。因此在讓系統(tǒng)進(jìn)入深度停止?fàn)顟B(tài)前，要將重要系統(tǒng)參數(shù)保存在非易失性存儲(chǔ)器中，如EEPROM中。深度停止模式關(guān)掉了所有的I/O，可能的喚醒方式也很有限，一般只能是復(fù)位或IRQ中斷等。
保留的I/O模塊越多，系統(tǒng)允許的喚醒中斷源也就越多。單片機(jī)的功耗將根據(jù)保留喚醒方式的不同，降至1μA至幾十μA之間。例如，用戶可以保留外部鍵盤中斷，保留異步串行口（SCI）接收數(shù)據(jù)中斷等來喚醒CPU。保留的喚醒方式越多，系統(tǒng)耗電也就會(huì)多一些。其他可能的喚醒方式還有實(shí)時(shí)鐘喚醒、看門狗喚醒等。停機(jī)狀態(tài)較淺的情況下，外部晶振電路還是工作的。
圖1以Freescale的HCS08單片機(jī)為例，給出不同運(yùn)行模式下的系統(tǒng)功耗。HCS08是8位單片機(jī)，有多個(gè)系列，各系列I/O模塊數(shù)目有所不同，但低功耗模式下的電流消耗大致相同。
以R系列單片機(jī)為例：在室溫（25℃）下，不包括I/O口的負(fù)載，以2 V供電，將可編程鎖相環(huán)時(shí)鐘設(shè)為16 MHz（總線時(shí)鐘8 MHz），典型電流值為2.6 mA，當(dāng)溫度升高到85℃時(shí)，供電電流也升高到3.6 mA；而采用3 V供電，這一組數(shù)據(jù)升高至3.8 mA和4.8 mA。用2 V供電，直接使用外部晶振2 MHz（總線時(shí)鐘1 MHz）時(shí)，典型運(yùn)行電流降至450 μA。在等待狀態(tài)下，因時(shí)鐘并沒有停止，耗電情況和時(shí)鐘頻率有很大關(guān)系，節(jié)省的功耗有限；而進(jìn)入輕度停止（stop3），以外部中斷喚醒，電流消耗在0. 5 μA左右。在中度停止態(tài)（stop2），功耗可進(jìn)一步降低。使用內(nèi)部1 kHz的時(shí)鐘，保持1個(gè)運(yùn)行的時(shí)鐘，周期性喚醒CPU，所增加的電流約為0.3 μA。在深度停止態(tài)（stop1），RAM的數(shù)據(jù)也不再保留，只能通過外部復(fù)位重啟系統(tǒng)，此時(shí)的電流消耗可降到20 nA。以上數(shù)據(jù)都是在室溫下測(cè)量所得。當(dāng)環(huán)境溫度升高到85℃時(shí)，電流消耗可能增加3～5倍。
1.4選擇合適的時(shí)鐘方案
時(shí)鐘的選擇對(duì)于系統(tǒng)功耗相當(dāng)敏感，設(shè)計(jì)者需要注意兩個(gè)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(shí)，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(shí)，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(shí)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(huì)加大。溫度升高，CMOS翻轉(zhuǎn)閾電壓會(huì)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(shí)，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(shí)，由于兩只管子的開關(guān)延遲時(shí)間不可能完全一致，在某一瞬間會(huì)有兩只管子同時(shí)導(dǎo)通的情況，此時(shí)電源到地之間會(huì)有一個(gè)瞬間較大的電流，這是單片機(jī)運(yùn)行電流的主要來源？梢钥闯觯\(yùn)行電流幾乎是和單片機(jī)的時(shí)鐘頻率成正比的，因此盡量降低系統(tǒng)時(shí)鐘的運(yùn)行頻率可以有效地降低系統(tǒng)功耗。
第二是時(shí)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(shí)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(duì)誤差），而且會(huì)增加系統(tǒng)的功耗。
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(shí)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(jí)噪聲；而且，由于時(shí)鐘頻率可由程序控制，系統(tǒng)時(shí)鐘可以在一個(gè)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(huì)帶來額外的功率消耗。
單就時(shí)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”的說法，是為了區(qū)分于“系統(tǒng)軟件”或者“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”。軟件對(duì)于一個(gè)低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個(gè)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(shí)也沒有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷一個(gè)軟件的低功耗特性。盡管如此，設(shè)計(jì)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(gè)程序使用中斷方式還是查詢方式對(duì)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(huì)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(huì)比讀Flash帶來更大的功耗。正是因?yàn)槿绱，低功耗性能突出的ARM在CPU設(shè)計(jì)上僅允許一次子程序調(diào)用。因?yàn)镃PU進(jìn)入子程序時(shí)，會(huì)首先將當(dāng)前CPU寄存器推入堆棧（RAM），在離開時(shí)又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對(duì)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(duì)于程序員，調(diào)用一個(gè)子程序還是一個(gè)宏在程序?qū)懛ㄉ喜]有什么不同，但宏會(huì)在編譯時(shí)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(duì)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(huì)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(shí)時(shí)的計(jì)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(shí)時(shí)計(jì)算，算到精度夠了就結(jié)束，避免“過度”的計(jì)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(shí)關(guān)掉，以節(jié)省電能。RS232的驅(qū)動(dòng)需要相當(dāng)?shù)墓β，可以用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳來控制，在不需要通信時(shí)，將驅(qū)動(dòng)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?yàn)槿绻_沒有初始化，可能會(huì)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(gè)別I/O引腳引出來，對(duì)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(gè)成功的低功耗設(shè)計(jì)應(yīng)該是硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的結(jié)合。從硬件設(shè)計(jì)開始，就應(yīng)該充分意識(shí)到一個(gè)低功耗應(yīng)用的特性，選擇一款合適的單片機(jī)，通過對(duì)其特性的了解，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案；在軟件設(shè)計(jì)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。
限于篇幅，僅僅討論了低功耗設(shè)計(jì)中的一些常見問題，更多的問題只能靠設(shè)計(jì)者去實(shí)際分析和解決了。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-05-09
