基于MCU的高級時鐘控制模塊設(shè)計(jì)方案

　　隨著 MCU 擴(kuò)展到越來越多的功率受限設(shè)計(jì)，處理效率成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員日益關(guān)注的問題。以更低的功率獲得額外處理能力的驅(qū)動力不僅在電池供電的產(chǎn)品中很重要，而且在許多“插入式”模塊中，功率也越來越受到模塊規(guī)格的限制。在這些情況下，一個高效的設(shè)計(jì)將能夠提供更多的功能，并相對于效率較低的實(shí)施創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。

　　MCU 設(shè)計(jì)中一個被忽視的方面是時鐘控制領(lǐng)域。設(shè)計(jì)人員通?？梢酝ㄟ^使用時鐘控制模塊的高級功能來調(diào)整 CPU、外設(shè)和其他功耗資源的時鐘，從而創(chuàng)建更高效??的設(shè)計(jì)。本文將探討高級時鐘控制模塊的一些常見特性的功能，并展示它們?nèi)绾卧诖蠖鄶?shù)基于 MCU 的設(shè)計(jì)中提高處理效率。

　　時鐘源

　　MCU 的整體操作由時鐘控制塊管理，許多時鐘控制塊具有可用于選擇、控制和管理 CPU、存儲器、外設(shè)和模擬塊的時鐘源的功能。通過控制這些模塊的時鐘，甚至關(guān)閉某些處理例程中未使用的功能的時鐘，電源可以僅在 MCU 的需要它的部分以及它們需要時提供，從而實(shí)現(xiàn)非常高效執(zhí)行。時鐘管理和控制的起點(diǎn)是可供各種子模塊使用的各種時鐘源。了解每個時鐘源的優(yōu)缺點(diǎn)是高效 MCU 實(shí)施的起點(diǎn)。

　　STMicroelectronics ST32F37xx 提供許多常見的時鐘源和控制功能MCU 時鐘控制模塊，如圖 1 所示。ST32F37xx 有多個時鐘源，每個時鐘源都有一個特定的功能，并針對它進(jìn)行了優(yōu)化。例如，高速外部 （HSE） 時鐘（如圖 1 左中所示）使用外部晶體/陶瓷諧振器或現(xiàn)有用戶提供的時鐘。外部晶體/陶瓷諧振器的工作頻率范圍為 4 至 32 MHz，并產(chǎn)生非常準(zhǔn)確的主時鐘速率。如果現(xiàn)有的外部時鐘已經(jīng)可用，或者如果用戶希望對時鐘源進(jìn)行額外的控制（可能停止或減慢時鐘以進(jìn)行更精細(xì)的低功耗操作控制），則可以使用外部時鐘輸入。這也釋放了一個額外的 GPIO 引腳，因?yàn)樵趯?shí)現(xiàn)諧振器時需要少一個引腳。

　　圖 1：STM32F37xx 時鐘控制模塊。（意法半導(dǎo)體提供）

　　高速內(nèi)部 （HIS） 時鐘信號由內(nèi)部 8 MHz RC 振蕩器生成，可直接用作系統(tǒng)時鐘或在被 PLL 使用之前進(jìn)行二分頻。HIS RC 振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是可以低成本提供時鐘源，因?yàn)樗皇褂猛獠吭Ｋ€具有比HSE晶振更快的啟動時間；然而，即使經(jīng)過校準(zhǔn)，頻率也不如外部晶體振蕩器或陶瓷諧振器準(zhǔn)確。請注意，CPU 時鐘只能由高速時鐘之一或 PLL 的輸出驅(qū)動。

　　STM32F37xx 還有兩個低速時鐘源。低速外部 （LSE） 晶體/陶瓷振蕩器顯示在圖 1 的頂部，它使用高精度 32.768 kHz 諧振器為實(shí)時時鐘 （RTC） 外設(shè)創(chuàng)建精確的時鐘源。低速內(nèi)部 RC 振蕩器提供 40 kHz 信號，用于驅(qū)動獨(dú)立的看門狗定時器和可選的 RTC，用于從低功耗停止/休眠模式自動喚醒。低功耗時鐘獨(dú)立于高速時鐘運(yùn)行，因此即使主系統(tǒng)時鐘關(guān)閉，其外圍設(shè)備也可以運(yùn)行，從而節(jié)省大量電力。

　　這些時鐘源是您可以在大多數(shù) MCU 中找到的典型時鐘源。如圖 1 所示，時鐘源只是大多數(shù) MCU 中時鐘架構(gòu)的起點(diǎn)。通?？梢赃M(jìn)一步選擇、處理時鐘（通常使用一個或多個鎖相環(huán)或 PLL 塊），或在 MCU 控制下啟用所有時鐘。在下一節(jié)中，我們將通過查看 PLL 模塊的典型功能來繼續(xù)探索時鐘控制。

　　鎖相環(huán)操作

　　各種時鐘操作模塊，如鎖相環(huán) （PLL） 和鎖頻環(huán) （FLL） 模塊，是時鐘控制模塊中最重要但通常不太了解的元素。飛思卡爾Kinetis K10MCU 子系列具有多用途時鐘發(fā)生器 （MCG） 模塊，如圖 2 所示，其中包括 FLL 和 PLL，因此這是一個很好的示例。Kinetis K10 MCG FLL 可由內(nèi)部或外部參考時鐘控制。PLL 可由外部參考時鐘控制。該模塊可以選擇 FLL 或 PLL 輸出時鐘或內(nèi)部或外部參考時鐘作為 MCU 系統(tǒng)時鐘源。MCG 與晶體振蕩器一起工作，晶體振蕩器允許外部晶體、陶瓷諧振器或其他外部時鐘源產(chǎn)生外部參考時鐘。

　　圖 2：飛思卡爾 Kinetis K10 MCU 系列中的多用途時鐘發(fā)生器模塊。（由飛思卡爾提供）

　　FLL 模塊（如圖 2 中間所示）采用選定的時鐘源并對其進(jìn)行操作以創(chuàng)建所需的時鐘頻率。輸入時鐘可以除以十六個不同的值，從 1 到 1536，以創(chuàng)建介于 31.25 kHz 到 39.0625 kHz 之間的基本頻率。然后將基頻與數(shù)控振蕩器 （DCO） 相乘，以產(chǎn)生介于 20 MHz 和 96 MHz 之間的所需輸出頻率。通過使用 FLL 從各種頻率中進(jìn)行選擇的能力，可以輕松地將時鐘速率調(diào)整為特定操作模式所需的正確頻率，從而提高處理效率。PLL 以類似的方式工作，但使用壓控振蕩器 （VCO） 來調(diào)整時鐘輸出頻率。PLL 的輸入時鐘可以通過預(yù)分頻器進(jìn)行 2 到 25 倍的分頻。相位檢測器將 PLL 輸入時鐘和 VCO 輸出時鐘相結(jié)合，將輸入信號乘以 24 到 55 倍。所有這些除法和乘法的結(jié)果是一個時鐘信號，它是應(yīng)用所需的精確值。通常，PLL 比 FLL 需要額外的功率，但 PLL 具有更精細(xì)的調(diào)整和更高的精度。請注意，如果不需要 PLL 或 FLL 來生成應(yīng)用所需的頻率，例如，在外部時鐘信號提供所需的確切頻率的情況下，可以禁用 PLL 或 FLL 以降低功耗。所有這些除法和乘法的結(jié)果是一個時鐘信號，它是應(yīng)用程序所需的精確值。通常，PLL 比 FLL 需要額外的功率，但 PLL 具有更精細(xì)的調(diào)整和更高的精度。請注意，如果不需要 PLL 或 FLL 來生成應(yīng)用所需的頻率，例如，在外部時鐘信號提供所需的確切頻率的情況下，可以禁用 PLL 或 FLL 以降低功耗。所有這些除法和乘法的結(jié)果是一個時鐘信號，它是應(yīng)用程序所需的精確值。通常，PLL 比 FLL 需要額外的功率，但 PLL 具有更精細(xì)的調(diào)整和更高的精度。請注意，如果不需要 PLL 或 FLL 來生成應(yīng)用所需的頻率，例如，在外部時鐘信號提供所需的確切頻率的情況下，可以禁用 PLL 或 FLL 以降低功耗。

　　外設(shè)時鐘控制

　　在使用 PLL 或 FLL 調(diào)整源時鐘（如果需要）后，時鐘分配網(wǎng)絡(luò)將負(fù)責(zé)為每個關(guān)鍵 MCU 模塊提供單獨(dú)的時鐘。CPU 及其相關(guān)的內(nèi)存系統(tǒng)將需要自己的時鐘，但通常各種外圍設(shè)備也將擁有自己的時鐘。外圍時鐘網(wǎng)絡(luò)劃分得越細(xì)，就越容易單獨(dú)選擇和控制時鐘，并將工作頻率調(diào)整到應(yīng)用所需的頻率?？刂茣r鐘網(wǎng)絡(luò)的常用方法是添加時鐘分頻器電路（因?yàn)橥庠O(shè)運(yùn)行速度通常比 CPU 慢），如果根本不需要外設(shè)，甚至可以添加時鐘禁用電路?？捎玫目刂圃蕉?，可以調(diào)整的功率和性能就越多，但在某些時候，必須考慮額外的裸片空間（及其相關(guān)成本）和所需的額外功率。制造商通常限制時鐘網(wǎng)絡(luò)提供完全的靈活性，但試圖為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠的能力以獲得顯著的功率和處理效率。

　　恩智浦，在其LPC15xx上MCU 已將每個關(guān)鍵外圍功能的時鐘分頻器按照非常實(shí)用的線進(jìn)行分段，如圖 3 所示，從而可以輕松確定每個子塊使用哪些設(shè)置。例如，圖 3 中右側(cè)所示的 USART 模塊的時鐘信號來自主時鐘，但可以使用 USART 外設(shè)時鐘分頻器進(jìn)行預(yù)分頻（從 1 到 255 或完全禁用） 。 然后，每個 USART 模塊內(nèi)的各個小數(shù)波特率發(fā)生器（具有 16 位時鐘分頻值可用）可以使用該時鐘信號，以便輕松單獨(dú)設(shè)置每個 USART 的波特率。其他外設(shè)時鐘分頻器可在通用功能基礎(chǔ)上使用，以便于配置和控制性能，從而降低所有關(guān)鍵外設(shè)模塊的功耗。

　　圖 3：NXP LPC15xx MCU 上的外設(shè)時鐘分頻器。（恩智浦提供）

　　沿功能線對外設(shè)時鐘進(jìn)行分組是一個簡單的概念，但是當(dāng)外設(shè)??可以協(xié)同工作時，這個概念就變得更加復(fù)雜。例如，請注意 ADC 時鐘分頻器可以來自 SC Timer PLL。這似乎是一個不必要的連接，直到您意識到 ADC 可以與 SC 定時器一起工作以在沒有 CPU 干預(yù)的情況下進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換。在創(chuàng)建所需操作所需的靈活性而不使時鐘控制塊因額外的復(fù)雜性而超載時額外注意，這是經(jīng)過深思熟慮的實(shí)現(xiàn)的標(biāo)志。

　　動態(tài)時鐘控制

　　一旦您以最節(jié)能和處理效率最高的方式為各種外設(shè)選擇了時鐘，您可能會認(rèn)為您已經(jīng)完成了。為了獲得更高的性能和功率控制，您可能還需要根據(jù) MCU 所處的功能或模式動態(tài)調(diào)整某些處理或外圍模塊的速度。靈活的時鐘選擇網(wǎng)絡(luò)是使用動態(tài)時鐘所需的關(guān)鍵特性。 Silicon Labs Gecko MCU的一部分圖 4 所示的時鐘控制模塊說明了這一點(diǎn)。圖中左上方的高頻時鐘開關(guān)可以選擇高頻時鐘（HFXO 或 HFRCO）或低頻時鐘（LFXO 或 LFRCO）。這使得根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的模式類型輕松“混合和匹配”低頻源或高頻源成為可能。

　　圖 4：Silicon Labs Gecko MCU 的時鐘控制模塊部分。（由 Silicon Labs 提供）

　　當(dāng)進(jìn)入和退出傳統(tǒng)低功耗模式需要太多“啟動”時間時，動態(tài)時鐘選擇最有用（即使是節(jié)能的 Gecko MCU 系列也可能需要 2 微秒的 EM2 低功耗喚醒時間）功耗狀態(tài)，在極低功耗 EM4 狀態(tài)下可達(dá) 160 μsec）。通過動態(tài)選擇低頻時鐘，節(jié)省的電量較少，但快速響應(yīng)時間（通常僅在時鐘周期的數(shù)量級上）要快得多。這可以在捕獲異步事件或丟失它之間產(chǎn)生差異。當(dāng)在操作狀態(tài)期間需要中等處理性能時，擁有這種級別的時鐘控制還可以增加低功耗狀態(tài)的使用。在您的設(shè)計(jì)中尋找動態(tài)時鐘控制機(jī)會，以實(shí)現(xiàn)最高的功率和處理效率水平。

　　總結(jié)

　　高級時鐘控制模塊提供了一些令人驚訝的功能，可以幫助管理 MCU 內(nèi)的電源使用?？刂仆鈬O(shè)備的時鐘、管理 CPU 的時鐘速率以及在處理過程中動態(tài)改變時鐘速率只是可用于創(chuàng)建更高效??設(shè)計(jì)的一些技術(shù)。