關于MCU低功耗設計理論分析解讀

一．MCU耗能因素

現(xiàn)代的MCU一般使用CMOS技術，耗能包括2方面：
靜態(tài)消耗 主要是晶體管消耗能量；
動態(tài)消耗 公式=C×V2×f，其中C是CMOS的負載電容，V是供電電壓，f是時鐘頻率；
總電能消耗是靜態(tài)消耗和動態(tài)消耗之和，即：IDD=f×IDynamicRun[uA/MHz]+IStatic[uA].
因此，電能消耗依賴于：
MCU芯片尺寸或者說晶體管的數(shù)目；
MCU供電電壓降低電壓可以成平方級別地降低電能消耗；
時鐘頻率可以把時鐘頻率降低到剛好滿足應用需要；
外設數(shù)目使能的外設越多，耗能越大；
運行模式合理選擇工作模式可以大幅節(jié)能，如，全速工作極短時間后進入睡眠模式。

二．節(jié)能方法

1. 關閉不需要使用的外設；
2. 所有未使用的引腳必須連接到一個確定的邏輯電平；
3. 當有外設必須保持激活時，使用Wait模式來獲得低功耗；
4. 使用合適的VDD值；
5. 盡可能地使用低功耗運行模式；
6. 如果不能使用低功耗模式，那就將主頻降低到滿足應用的最小值；
7. 如果可能，使用動態(tài)控制I/O引腳的上拉功能。

三．低功耗模式

支持低功耗的MCU一般都有好幾種運行模式，以ST公司的STM8L為例，它支持5種低功耗模式：等待、低功耗運行、低功耗等待、主動停止和停止。每一種模式的進入方式，節(jié)能級別和外設工作要求，總結表1：

表1 STM8L低功耗運行模式

上述低功耗運行模式對于開發(fā)者來說有點多，尤其剛接觸STM8L處理器。我們需要一般性的指導原則，表2是來源于實踐的經(jīng)驗。

表2 選擇合理的STM8L節(jié)能模式

四．鮮為人知的技巧

1. 使用Wait替換查詢方式達到節(jié)能目的
常見的查詢方式如下，此時CPU無事可干，白白消耗電能。
ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */
while (!(ADC_SR & ADC_SR_EOC)) ; /* wait for EOC bit set */
可以使用等待事件的方式來節(jié)省電能。
先配置ADC為事件源，并使能相應的中斷：
WFE_CR2 = ADC_COMP_EV; /* enable ADC as a source of event */
ADC_CR1 = ADC_EOCIE; /* enable interrupt for end of conversion */
當ADC轉換完成后，喚醒處于等待的CPU：
ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */
_asm(“wfe”); /* enter wait mode until waked by ADC_EOCIE*/

2. 無須上下文切換的中斷模式
應用程序設計時，如果所有中斷事件由ISR完成，可以通過將CFG_GCR寄存器中AL位置1來節(jié)省電能：避免保存/恢復context、無須主程序運行（返回到WFI模式），如下圖1所示。

圖1 WFI模式下中斷無須上下文切換

將AL位置1節(jié)省電能的方法同樣可以用于HALT模式，原理如下圖2所示。

圖2 HALT模式下中斷無須上下文切換

3. 動態(tài)設置I/O口的上拉功能
很多應用需要按鍵作為人機接口，按鍵一般連接到I/O上。當按鍵沒有動作時I/O口設置內(nèi)部上拉而獲得確定的邏輯電平；一旦按鍵按下，I/O口對地導通將產(chǎn)生額外的40～70uA電流，這對于電池供電的低功耗來說是十分重要的。

可以動態(tài)地控制I/O口的上拉達到節(jié)能的目的：一旦按鍵按下，中斷服務程序?qū)⒔乖揑/O口的上拉功能；然后軟件定時執(zhí)行—先使能上拉功能，再檢測I/O口狀態(tài)，如果按鍵仍按下再次禁止上拉功能，否則使能I/O口的上拉功能。整個邏輯如下圖3所示：

圖3 動態(tài)設置I/O口的上拉而節(jié)能

4. CPU空閑節(jié)能策略
CPU的空閑節(jié)能如下圖4所示，它的邏輯包括以下幾個步驟：
(1)發(fā)現(xiàn)CPU空閑：帶OS系統(tǒng)，表現(xiàn)為任務沒有事件需要響應，或者進入idle進程；無OS系統(tǒng)，表現(xiàn)為程序運行結束。
(2) 選擇一種合適的CPU節(jié)能模式：chip_EnterLowPower()完成進入節(jié)能前的準備工作，包括：關閉外設，切換I/O引腳到節(jié)能狀態(tài)。
(3) 退出節(jié)能模式需要調(diào)用chip_ExitLowPower()，可能發(fā)生在以下2種情形：
a. 需要使用被關閉外設的ISR：
b. 由process直接退出；
chip_ExitLowPower()的善后工作包括：使能外設，切換I/O引腳到工作狀態(tài)。同時為避免ISR和process兩次操作chip_ExitLowPower()，該
函數(shù)設置了狀態(tài)變量避免重復退出。

圖4 CPU空閑節(jié)能策略