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在嵌入式應(yīng)用中，系統(tǒng)的功耗越來(lái)越受到人們的正視，這一點(diǎn)對(duì)于需要電池供電的便攜式系統(tǒng)尤其顯著。降低系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)電池的壽命，就是降低系統(tǒng)的運(yùn)行本錢(qián)。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。
　　跟著越來(lái)越多的嵌入式應(yīng)用使用了實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)，如何在操縱系統(tǒng)層面上降低系統(tǒng)功耗也成為一個(gè)值得關(guān)注的題目。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)
　　選器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╇婋妷骸纹瑱C(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(jiǎn)樸的CPU內(nèi)核
　　在選擇CPU內(nèi)核時(shí)切忌一味追求機(jī)能。8位機(jī)夠用，就沒(méi)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(lái)越快，但機(jī)能的晉升往往帶來(lái)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(jiǎn)樸的CPU內(nèi)核不僅功耗低，本錢(qián)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(lái)，要?dú)w功于半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。從原來(lái)的3 μm工藝到現(xiàn)在的0.25、0.18、0.13 μm工藝， CMOS電路的門(mén)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，但是因?yàn)榫w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(guò)去5年中，3 V供電的單片機(jī)系統(tǒng)數(shù)目增加了1倍，2 V供電的系統(tǒng)也在不斷增加。再過(guò)五年，低電壓供電的單片機(jī)數(shù)目可能會(huì)超過(guò)5 V電壓供電的單片機(jī)。如斯看來(lái)，供電電壓降低將是未來(lái)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)的等待和休止模式。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(guò)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)入等待或休止?fàn)顟B(tài)，以達(dá)到省電的目的。
　　等待模式下，CPU休止工作，但系統(tǒng)時(shí)鐘并不休止，單片機(jī)的外圍I/O模塊也不休止工作；系統(tǒng)功耗一般降低有限，相稱于工作模式的50%～70%。
　　休止模式下，系統(tǒng)時(shí)鐘也將休止，由外部事件間斷重新啟動(dòng)時(shí)鐘系統(tǒng)時(shí)鐘，進(jìn)而喚醒CPU繼承工作，CPU消耗電流可降到μA級(jí)。在休止模式下，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。跟著I/O模塊的逐個(gè)封閉，系統(tǒng)的功耗越來(lái)越小，進(jìn)入休止模式的深度也越來(lái)越深。進(jìn)入深度休止模式無(wú)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休止供電后，RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)會(huì)丟失，也就是說(shuō)，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)入深度休止?fàn)顟B(tài)前，要將重要系統(tǒng)參數(shù)保留在非易失性存儲(chǔ)器中，如EEPROM中。深度休止模式關(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間斷等。
　　留存的I/O模塊越多，系統(tǒng)答應(yīng)的喚醒間斷源也就越多。單片機(jī)的功耗將根據(jù)留存喚醒方式的不同，降至1μA至幾十μA之間。例如，用戶可以留存外部鍵盤(pán)間斷，留存異步串行口（SCI）接收數(shù)據(jù)間斷等來(lái)喚醒CPU。留存的喚醒方式越多，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(mén)狗喚醒等。停機(jī)狀態(tài)較淺的情況下，外部晶振電路仍是工作的。
　　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)量有所不同，但低功耗模式下的電流消耗大致相同。
      
                         圖1HCS08單片機(jī)各模式下的耗電
 
　　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(méi)有休止，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)入輕度休止（stop3），以外部間斷喚醒，電流消耗在0. 5 μA左右。在中度休止態(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。在深度休止態(tài)（stop1），RAM的數(shù)據(jù)也不再留存，只能通過(guò)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)都是在室溫下丈量所得。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)功耗相稱敏感，設(shè)計(jì)者需要留意兩個(gè)方面的題目：
　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門(mén)——運(yùn)行電流和漏電流。理想的CMOS開(kāi)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(méi)有電流流過(guò)。而實(shí)際上，因?yàn)镹晶體管存在一定漏電流，且隨集成度進(jìn)步，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(kāi)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)，因?yàn)閮芍还茏拥拈_(kāi)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(lái)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?！　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?nbsp;
　　第二是時(shí)鐘方案，也就是是否使用鎖相環(huán)、使用外部晶振仍是內(nèi)部晶振等題目。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)晶振的長(zhǎng)處是可以省掉片外晶振，降低系統(tǒng)的硬件本錢(qián)；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)答應(yīng)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，因?yàn)闀r(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(lái)額外的功率消耗。
　　單就時(shí)鐘方案來(lái)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(shuō)法，是為了區(qū)分于“系統(tǒng)軟件”或者“實(shí)時(shí)操縱系統(tǒng)”。軟件對(duì)于一個(gè)低功耗系統(tǒng)的重要性經(jīng)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輕易發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的尺度來(lái)判定一個(gè)軟件的低功耗特性。盡管如斯，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(jiàn)”的功耗損失。
      2.1 用“間斷”代替“查詢”
　　一個(gè)程序使用間斷方式仍是查詢方式對(duì)于一些簡(jiǎn)樸的應(yīng)用并不那么重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠(yuǎn)。使用間斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或休止模式；而查詢方式下，CPU必需不停地訪問(wèn)I/O寄存器，這會(huì)帶來(lái)良多額外的功耗。
      2.2 用“宏”代替“子程序”
　　程序員必需清晰，讀RAM會(huì)比讀Flash帶來(lái)更大的功耗。恰是由于如斯，低功耗機(jī)能凸起的ARM在CPU設(shè)計(jì)上僅答應(yīng)一次子程序調(diào)用。由于CPU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(kāi)時(shí)又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來(lái)兩次對(duì)RAM的操縱。因此，程序員可以考慮用宏定義來(lái)代替子程序調(diào)用。對(duì)于程序員，調(diào)用一個(gè)子程序仍是一個(gè)宏在程序?qū)懛ㄉ喜](méi)有什么不同，但宏會(huì)在編譯時(shí)展開(kāi)，CPU只是順序執(zhí)行指令，避免了調(diào)用子程序。獨(dú)一的題目好像是代碼量的增加。目前，單片機(jī)的片內(nèi)Flash越來(lái)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(wú)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)算的工作可以從良多方面入手：將一些運(yùn)算的結(jié)果預(yù)先算好，放在Flash中，用查表的方法替換實(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（良多單片機(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(guò)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)替換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)需要相稱的功率，可以用單片機(jī)的一個(gè)I/O引腳來(lái)控制，在不需要通訊時(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。由于假如引腳沒(méi)有初始化，可能會(huì)增大單片機(jī)的漏電流。特別要留意有些簡(jiǎn)樸封裝的單片機(jī)沒(méi)有把個(gè)別I/O引腳引出來(lái)，對(duì)這些看不見(jiàn)的I/O引腳也不應(yīng)健忘初始化。
      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(kāi)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(guò)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(jiàn)題目，更多的題目只能靠設(shè)計(jì)者去實(shí)際分析和解決了。