[改善什么]改善8051系統用電效率的微控制器

更新時間:2014-03-08 來源:寫作技巧 點擊:

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摘要:一種改進架構的高性能8051設計、外圍功能集成、選用合適的時鐘源以降低功耗;并介紹節省電能的軟件技術及采用待機模式降低功耗的技巧。

    關鍵詞:停機模式 空閑模式 功率管理模式

便攜式產品的功能和性能日新月異。(范文先生網www.fwsir.com收集整理)消費者對產品性能的要求也越來越高,需要更強大的運算能力支持;另一方面,希望產品具有更低的功耗。

盡管已經出現了很多功耗處理器,但它們的性能通常很有限。Dallas公司的系列高速微控制器在性能和功耗之間取得了一個很好的折衷,采用了8051架構——世界上最流行的微控制器之一。簡單易用、豐富的I/O資源使這種微控制器深受設計者的喜愛,并被廣泛接受。它的流行勢頭已蔓延到了便攜式領域,在很多應用中都有其用武之地。

本文旨在探討使用8051控制器時,如何降低功率的消耗,重點介紹一種改進架構的高性能8051設計。

1 時鐘頻率

任何微控制器設計中,決定功耗的一個首要因素就是系統的時鐘頻率?;パa金屬氧化物半導體(CMOS)工藝的器件功耗直接正比于時鐘頻率。因此,從省電的角度考慮,將處理器運行于盡可能低的頻率比較有利。

圖1表示一個普通的8051微控制器的典型功率曲線,一個被所有便攜系統設計得所熟知的關系。一般來講,電流隨頻率的變化曲線為線性,具有一定的DC偏移。這個靜態電流由片由的靜態電路所消耗,例如比較器、運算放大器等。其數值一般很?。?lt;1mA),是一個不可忽略的固定吸收電流。

任何功率受限的設計都應該考慮采用盡可能慢的運行速度。決定最低系統頻率,也就是最低功耗的,有很多因素,包括期望得到的系統性能、改善8051系統用電效率的微控制器中斷響應延盡等。不管采用什么標準,最終目標是相同的:使器件的工作頻率盡可能地靠近應用的需求。

2 高速內核

要降低基于8051系統的功率消耗,最直接的辦法就是改善微控制器的效率。8051最初的設計采用了一個12時鐘周期、每機器周期兩次取指的架構。然而,高速微控制器采用的是每機器周期4個、甚至1個時鐘的內核。它們具有更高的運算效率,執行一個指令需要很少的時鐘周期,具有更快的運行速度和更高的時鐘頻率。

盡管高速核的優勢通??紤]其處理能力,它們在降低功耗方面有很重要的意義。當處理器的運行指令經過優化后,執行同一任務所需的時間很短。很多便攜式產品工作在猝發模式,其特點是只很短的活動時間,例如記錄環境數據或掃描一個條碼,而在隨后的很長時間內都處于非活動狀態。減少處理器的活動時間可以相應地降低功耗。

效率提升帶來的另一個好處是,獲得相同的性能所需的時鐘頻率可以更低。如果一個經過重新設計的內核采用4時鐘機器周期而非12時鐘,這就意味著完成同樣的工作,只需更低的晶振頻率。由于功率正比于晶振頻率,這樣,不必犧牲性能即可降低功耗。

圖2顯示三種微控制器以同樣的速度完成同一任務時的功耗情況。其中兩種是標準80C3X的衍生產品:一種是工作于每機器周期12個外部時鐘方式;另外一種是DS80C320微控制器,工作于4時鐘機器周期。測出各個器件的消耗電流,然后進行對比,保守地估計DS80C320具有250%(2.5倍)的速度提升。正如圖2所顯示的,每周期時鐘數減少后的處理器內核工作于同樣的吞吐率時,消耗的電流顯著降低,高速運行時尤其顯著。

3 集成化

將外圍功能集成于芯片內部是節省電能的方法之一。改善8051系統用電效率的微控制器在向芯片外部驅動一個信號時,每周期時鐘數減少后的處理器內核工作于同樣的吞吐率時,以便驅動外部負載和補償DC損耗。開關功率是數字信號過渡過程中消耗的功能。開關功率可根據下面的公式估算:

PSW∝CV2/T     (1)

其中C是接收門輸入電容和連線電容的總和,T是時鐘信號周期。一個CMOS門的典型輸入電容為

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