Основы микропроцессорной техники
Раздел 4. Организация микроконтроллеров
4.7. Минимизация энергопотребления в системах на основе МК
Малый уровень энергопотребления является зачастую определяющим фактором при выборе способа реализации цифровой управляющей системы. Современные МК предоставляют пользователю широкие возможности в плане экономии энергопотребления и имеют, как правило, следующие основные режимы работы:
- активный режим (Run mode) - основной режим работы МК. В этом режиме МК выполняет рабочую программу, и все его ресурсы доступны. Потребляемая мощность имеет максимальное значение P RUN. Большинство современных МК выполненные по КМОП-технологии, поэтому мощность потребления в активном режиме сильно зависит от тактовой частоты;
- режим ожидания (Wait mode, Idle mode или Halt mode). В этом режиме прекращает работу центральный процессор, но продолжают функционировать периферийные модули, которые контролируют состояние объекта управления. При необходимости сигналы от периферийных модулей переводят МК в активный режим, и рабочая программа формирует необходимые управляющие сигналы. Перевод МК из режима ожидания в рабочий режим осуществляется с прерываниями от внешних источников или периферийных модулей, или при инициализации МК. В режиме ожидания мощность потребления МК P WAIT снижается по сравнению с активным режимом в 5 ... 10 раз;
- режим остановки (Stop mode, Sleep mode или Power Down mode). В этом режиме прекращает работу как центральный процессор, так и большинство периферийных модулей. Переход МК из состояния остановки в рабочий режим возможен, как правило, только за прерываниями от внешних источников или после подачи сигнала инициализации. В режиме остановки мощность потребления МК P STOP снижается по сравнению с активным режимом примерно на три порядка и составляет единицы микроватт.
Два последних режима называют режимами пониженного энергопотребления. Минимизация энергопотребления системы на МК достигается за счет оптимизации мощности потребления МК в активном режиме, а также использование режимов по иженного энергопотребления. При этом необходимо иметь в виду, что режимы ожидания и остановки существенно отличаются время перехода из режима пониженного энергопотребления в активный режим. Выход из режима ожидания в основном происходит в течение 3 ... 5 периодов синхронизации МК, в то время как задержка выхода из режима остановки составляет несколько тысяч периодов синхронизации. Помимо снижения динамики работы системы значительное время перехода в активный режим является причиной дополнительного расхода энергии.
Мощность МК в активном режиме является одной из важнейших характеристик контроллера. Она в значительной степени зависит от напряжения питания МК и частоты его тактування.
В зависимости от диапазона напряжений питания все МК можно разделить на три основные группы:
- МК с напряжением питания 5,0 В ± 10%. Эти МК предназначены, как правило, для работы в составе устройств с питанием от промышленной или бытовой сети, имеют развитые функциональные возможности и высокий уровень энергопотребления.
- МК с расширенным диапазоном напряжений питания: от 2,0 ... 3,0 В до 5,0-7,0 В. МК данной группы могут работать в составе устройств как с сетевым, так и с автономным питанием.
- МК с пониженным напряжением питания: от 1,8 до 3 В. Эти МК предназначены для работы в устройствах с автономным питанием и обеспечивают экономный расход энергии элементов питания.
Зависимость тока потребления от напряжения питания МК почти прямо пропорциональна. Поэтому снижение напряжения питания очень существенно снижает мощность потребления МК. Необходимо, однако, иметь в виду, что для многих типов МК со снижением напряжения питания уменьшается максимально допустимая частота тактування, т.е. выигрыш в потребляемой мощности сопровождается снижением производительности системы.
Большинство современных МК выполненные по технологии КМОП, следовательно мощность потребления в активном режиме P RUN практически прямо пропорциональна тактовой частоте. Поэтому, выбирая частоту тактового генератора, не следует стремиться к предельно высокого быстродействия МК в задачах, которые этого не требуют. Часто определяющим фактором оказывается способность измерителей или формирователей временных интервалов на основе таймера или скорость передачи данных последовательным каналом.
В большинстве современных МК используется статическая КМОП-технология, поэтому они способны работать при каких угодно низких тактовых частотах вплоть до нулевых. В справочных данных при этом указывается, что минимальная частота тактування равна dc (direct current). Это означает, что возможно использование МК в пошаговом режиме, например, для отладки. Мощность МК при низких частотах тактування обычно освещает значение тока потребления при f OSC = 32768 Гц (частота кварцевого резонатора.
4.8. Тактовые генераторы МК
Современные МК содержат встроенные тактовые генераторы, которые требуют минимального количества внешних часозадаючих элементов. На практике используются три основных способа задания тактовой частоты генератора: с помощью кварцевого резонатора, керамического резонатора и внешней RC-звена.
Типовая схема подключения кварцевого или керамического резонатора приведена на Рис. 4.9а.
Рис. 4.9. Тактування МК с использованием кварцевого или керамического резонаторов (а) и с использованием RC-звена (б).
Кварцевый или керамический резонатор Q подключается к выводам XTA L1 и XTAL2, которые обычно это вход и выход инвертуючого усилителя. Номиналы конденсаторов C1 и C2 определяются производителем МК для конкретной частоты резонатора. Иногда нужно включить резистор порядка нескольких мега между выводами XTAL1 и XTAL2 для стабильной работы генератора.
Использование кварцевого резонатора позволяет обеспечить высокую точность и стабильность тактовой частоты (разброс частот кварцевого резонатора обычно составляет менее 0,01%). Такой уровень точности необходимый для обеспечения точного хода часов реального времени или организации интерфейса с другими устройствами. Основными недостатками кварцевого резонатора является его низкая механическая прочность (высокая хрупкость) и относительно высокая стоимость.
При менее жестких требованиях к стабильности тактовой частоты возможно использование более устойчивых к ударной нагрузки керамических резонаторов. Многие керамических резонаторов имеют встроенные конденсаторы, что позволяет уменьшить количество внешних элементов, подключаемых от трех до одного. Керамические резонаторы имеют разброс частот порядка нескольких десятых долей процента (обычно около 0,5%).
Самым дешевым способом задания тактовой частоты МК является использование внешней RC-звена, как показано на Рис. 4.9б. Внешняя RC-Ланка не обеспечивает высокой точности настройки тактовой частоты (разброс частот может доходить до десятков процентов). Это неприемлемо для многих задач, где требуется точный подсчет времени. Однако существует масса практических задач, где точность задания тактовой частоты не имеет большого значения.
Зависимость тактовой частоты МК от номиналов RC-звена зависит от конкретной реализации внутреннего генератора и приводится в руководстве по применению контроллера.
Практически все МК допускают работу от внешнего источника тактового сигнала, подключаемый к входу XTAL1 внутреннего усилителя. С помощью внешнего тактового генератора можно задать любую тактовую частоту МК (в пределах рабочего диапазона) и обеспечить синхронную работу нескольких устройств.
Некоторые современные МК содержат встроенные RC или кольцевые генераторы, которые позволяют контроллеру работать без внешних звеньев синхронизации. Работа внутреннего генератора обычно разрешается путем программирования соответствующего бита регистра конфигурации МК.
В большинстве моделей МК частота часозадаючого элемента (резонатора или RC-звена) и частота тактування f BUS жестко связаны коэффициентом деления встроенного делителя частоты. Поэтому изменить частоту программным путем невозможно. Однако ряд последних семейств МК (например, HC08 фирмы Motorola) имеют в своем составе схему тактування, которая базируется на принципе синтезатора частоты с контуром фазового автоподстройки (PLL - phase loop lock). Такая схема работает как множитель частоты и позволяет задавать тактовую частоту с помощью низкочастотного кварцевого резонатора, что снижает уровень электромагнитного излучения МК. Коэффициенты деления контура PLL могут быть изменены программным путем, что позволяет снизить тактовую частоту (и, соответственно, мощность потребления) в промежутки времени, когда высокая производительность не нужна.
В некоторых МК семейства AVR фирмы Atmel тактовая частота контроллера, которая задается внутренней RC-звеном, также может изменяться программными средствами.