摘 要： 以MSP430系列MCU為例，介紹了通過改變MCU的時鐘頻率實現(xiàn)低功耗" title="低功耗">低功耗的設計方法。
關(guān)鍵詞： 動態(tài)時鐘 低功耗 MCU CPU
隨著IC技術(shù)的迅速發(fā)展和對消費電子產(chǎn)品需求的不斷增長，大量的便攜式設備被廣泛應用于各種領(lǐng)域，從而使低功耗成為系統(tǒng)設計中越來越被關(guān)注的問題。功耗不但直接決定通常靠電池供電的移動設備的使用時間，而且極大地影響著芯片的尺寸、成本和性能。本文結(jié)合MSP430系列微處理器，詳細論述了通過控制改變MCU的時鐘頻率來降低功耗的設計方法。
1 功耗產(chǎn)生的原因
在CMOS電路中，功耗損失主要包括靜態(tài)功耗損失和動態(tài)功耗損失兩部分。其中靜態(tài)功耗主要是由反偏PN結(jié)的漏電流和晶體管的亞閾值電流引起的，其最主要的形式就是漏電損失。其實CMOS電路理論上不會有靜電功耗損失，因為從供應電源到地面沒有直接的路徑，但實際上晶體管總會有漏電電流的出現(xiàn)，從而出現(xiàn)漏電損失。在0.18μm工藝水平之下，其在功耗中所占比重大約為5％～10％，一般可以忽略（但是隨著工藝的提高，供電電壓的降低，又使其所占比重逐漸上升）。這樣，在CMOS電路中，動態(tài)功耗就成了這個系統(tǒng)功耗的主要組成部分，約占整體功耗的90％以上。定量地分析電路的動態(tài)功耗，可用以下公式表示：
其中：C為負載電容；VDD為電源電壓；?琢為翻轉(zhuǎn)幾率，即每個時鐘周期中發(fā)生的充放電周期個數(shù)；fCLK為時鐘頻率。從這個公式可以看到如何降低動態(tài)功耗從而降低整個CMOS電路的功耗。即可以減小翻轉(zhuǎn)的負載電容，降低電源電壓，減小節(jié)點的翻轉(zhuǎn)幾率，或者降低時鐘頻率。本文將主要圍繞如何動態(tài)降低時鐘頻率實現(xiàn)低功耗設計。
2 動態(tài)時鐘低功耗管理原理
MCU系統(tǒng)設計是個很復雜的過程，在一些條件下可能會用到整個系統(tǒng)的所有硬件資源，但是在一些應用中可能只需要其中很少的一部分硬件資源；在某些應用中可能需要很高的時鐘頻率，而在其他應用中卻可以工作在很低的工作頻率中。例如：當任務量很大時，MCU滿負荷工作，則需要較高的時鐘頻率，功耗較大；當任務量很小時，MCU負荷較輕，所需時鐘頻率較低，功耗就可以相應降低。動態(tài)配置系統(tǒng)的時鐘頻率就是以不犧牲系統(tǒng)的性能為前提，動態(tài)地管理系統(tǒng)的工作頻率來降低MCU的功耗。
3 低功耗動態(tài)時鐘實現(xiàn)
圖1為MSP430系列MCU基礎時鐘模塊。
MSP430基礎時鐘模塊包含以下3個時鐘輸入源。
(1)LFXT1CLK 低頻時鐘源：由LFXT1振蕩器產(chǎn)生(如圖2所示)。通過軟件將狀態(tài)寄存器中OSCOff復位后，LFXT1開始工作，即系統(tǒng)采用低頻工作。如果LFXT1CLK沒有用作SMCLK或MCLK信號，則可以用軟件將OSCOff置位，禁止LFXT1工作。
(2)XT2CLK高頻時鐘源：由XT2振蕩器產(chǎn)生。它產(chǎn)生時鐘信號XT2CLK，其工作特性與LFXT1振蕩器工作在高頻模式時類似。可簡單地通過軟件設置XT2振蕩器是否工作，當XT2CLK沒有用作SMCLK或MCLK信號時，關(guān)閉XT2，選擇其他時鐘源。
(3)DCOCLK 數(shù)字控制RC振蕩器。由集成在時鐘模塊中的DCO振蕩器產(chǎn)生。DCO振蕩器是一個RC振蕩器，頻率可以通過軟件調(diào)節(jié)，其控制邏輯如圖3所示。當振蕩器LFXT1、XT2被禁止或失效時，DCO振蕩器被自動選作MCLK的時鐘源。因此由振蕩器失效引起的系統(tǒng)中斷請求可以得到響應，甚至在CPU關(guān)閉的情況下也能得到處理。
由基礎時鐘模塊可以提供系統(tǒng)所需的3種時鐘信號，即：ACLK、MCLK、SMCLK。其中輔助時鐘ACLK是LFXT1CLK信號經(jīng)1、2、4、8分頻后得到的。ACLK可由軟件選作各個外圍模塊的時鐘信號，一般用于低速外設；系統(tǒng)主時鐘MCLK可由軟件選擇來自LFXT1CLK、XT2CLK、DCOCLK三者之一，然后經(jīng)1、2、4、8分頻得到。MCLK主要用于CPU和系統(tǒng)。子系統(tǒng)時鐘SMCLK可由軟件選擇來自LFXT1CLK和DCOCLK，或者XT2CLK和DCOCLK，然后經(jīng)1、2、4、8分頻得到，主要用于高速外設模塊。系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要通過軟件來選擇合適的系統(tǒng)時鐘頻率，這三種不同頻率的時鐘輸出給不同的模塊，從而合理利用系統(tǒng)的電源，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的超低功耗，這一點對于電池供電的系統(tǒng)來講至關(guān)重要。在具體應用中，CPU及各個時鐘源的工作狀態(tài)如表1。
4 動態(tài)時鐘應用實例
通過MSP430外接32768Hz晶體構(gòu)建超低功耗實時時鐘，結(jié)構(gòu)如圖4。
部分代碼如下：
setc
Dadc.b SEC
cmp.b #060h，SEC
jlo CLKend
clr.b SEC
dadc.b MIN
cmp.b #060h，MIN
jlo CLKend
clr.b MIN
CLKend；
令MSP430 CPU工作在突發(fā)狀態(tài)，大部分時間處于LMP3狀態(tài)，只有程序代碼中單位時間到之后，才出發(fā)一個極短暫的運行，運行期間電流消耗250?滋A左右。經(jīng)計算指令執(zhí)行時間得到，在1s時間段內(nèi)程序運行時間僅為100μs，系統(tǒng)平均電流約為0.83μA，可見其工作功耗相當?shù)汀?br />
本文通過分析MSP430系列MCU的動態(tài)時鐘配置，介紹了通過動態(tài)改變MCU系統(tǒng)時鐘來達到低功耗設計。在實際應用中，通過軟件設置合理地使用時鐘源，可以有效實現(xiàn)低功耗設計。
參考文獻
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