MCU低功耗设计（一）理论

MCU低功耗设计（一）理论

关键词：MCU低功耗, STM8L低功耗, 节能技巧

一．MCU耗能因素

现代的MCU一般使用CMOS技术，耗能包括2方面：

静态消耗 主要是晶体管消耗能量；

动态消耗 公式=C×V²×f，其中C是CMOS的负载电容，V是供电电压，f是时钟频率；

总电能消耗是静态消耗和动态消耗之和，即：I_DD=f×I_DynamicRun[uA/MHz]+I_Static[uA].

因此，电能消耗依赖于：

MCU芯片尺寸  或者说晶体管的数目；

MCU供电电压  降低电压可以成平方级别地降低电能消耗；

时钟频率  可以把时钟频率降低到刚好满足应用需要；

外设数目  使能的外设越多，耗能越大；

运行模式  合理选择工作模式可以大幅节能，如，全速工作极短时间后进入睡眠模式。

二．节能方法

1.       关闭不需要使用的外设；

2.       所有未使用的引脚必须连接到一个确定的逻辑电平；

3.       当有外设必须保持激活时，使用Wait模式来获得低功耗；

4.       使用合适的V_DD值；

5.       尽可能地使用低功耗运行模式；

6.       如果不能使用低功耗模式，那就将主频降低到满足应用的最小值；

7.       如果可能，使用动态控制I/O引脚的上拉功能。

 

三．低功耗模式

支持低功耗的MCU一般都有好几种运行模式，以ST公司的STM8L为例，它支持5种低功耗模式：等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止。每一种模式的进入方式，节能级别和外设工作要求，总结表1：

表1 STM8L低功耗运行模式

模式	等待		低功耗运行	低功耗等待	主动停止	停止
入口	WFI	WFE	软件代码	软件代码+WFE	HALT	HALT
晶振	开	开	LSI或LSE	LSI或LSE	LSI或LSE	关
CPU	关	关	开	关	关	关
外设	开	开	开	开	关，仅RTC开	关
唤醒	所有内部和外部中断，复位	所有内部和外部中断，复位，唤醒事件	软件代码，复位	内部和外部事件，复位	外部中断，RTC中断，复位	外部中断，复位
电压调节器	MVR	MVR	ULP	ULP	CLK_ICKCR	ULP
程序执行区	FLASH	FLASH	RAM	RAM	FLASH	FLASH
FLASH+E2	开	开	关	关	关	关
中断	允许	允许	禁止	禁止	允许	允许
中断服务后 返回状态	AL=0：main AL=1：WFI	WFE	/	/	AL=0：main AL=1主动停止	AL=0：main AL=1：停止
事件处理后 返回状态	/	Main	/	低功耗运行	/	/
RAM+寄存器	保留	保留	保留	保留	保留	保留
@3V/25℃	5.9uA		5.4uA	3.3uA	1.0uA	0.4uA
特殊事项	/	/	禁止ADC	/	清除外设悬挂中断标志位

 

上述低功耗运行模式对于开发者来说有点多，尤其刚接触STM8L处理器。我们需要一般性的指导原则，表2是来源于实践的经验。

表2 选择合理的STM8L节能模式

节能要求	应用场合	睡眠时长	唤醒方式	恢复时长	运行模式
苛刻	CPU空闲，等待外部信号唤醒	长	外部中断	≥2.8us	HALT
苛刻	CPU空闲，等待时钟周期唤醒	长	RTC周期	≥2.8us	Active-halt
严格	CPU有持续、微负荷任务运行	/	/	≥2.8us	低功耗运行
严格	CPU短暂等待中断发生	短	任意中断	短	等待中断
严格	CPU短暂等待事件发生	短	注册事件	短	等待事件
需要	CPU有持续、轻负荷任务运行	/	/	/	调整主频

四．鲜为人知的技巧

1. 使用Wait替换查询方式达到节能目的

常见的查询方式如下，此时CPU无事可干，白白消耗电能。

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来节省电能。

先配置ADC为事件源，并使能相应的中断：

WFE_CR2 = ADC_COMP_EV;  /* enable ADC as a source of event */

ADC_CR1 = ADC_EOCIE;  /* enable interrupt for end of conversion */

当ADC转换完成后，唤醒处于等待的CPU：

ADC_CR1 = ADC_START;  /* start conversion */

_asm(“wfe”);  /* enter wait mode until waked by ADC_EOCIE*/

2. 无须上下文切换的中断模式

应用程序设计时，如果所有中断事件由ISR完成，可以通过将CFG_GCR寄存器中AL位置1来节省电能：避免保存/恢复context、无须主程序运行（返回到WFI模式），如下图1所示。

图1  WFI模式下中断无须上下文切换

将AL位置1节省电能的方法同样可以用于HALT模式，原理如下图2所示。

图2 HALT模式下中断无须上下文切换

3. 动态设置I/O口的上拉功能

很多应用需要按键作为人机接口，按键一般连接到I/O上。当按键没有动作时I/O口设置内部上拉而获得确定的逻辑电平；一旦按键按下，I/O口对地导通将产生额外的40～70uA电流，这对于电池供电的低功耗来说是十分重要的。

可以动态地控制I/O口的上拉达到节能的目的：一旦按键按下，中断服务程序将禁止该I/O口的上拉功能；然后软件定时执行—先使能上拉功能，再检测I/O口状态，如果按键仍按下再次禁止上拉功能，否则使能I/O口的上拉功能。整个逻辑如下图3所示：

图3 动态设置I/O口的上拉而节能

4.  CPU空闲节能策略

CPU的空闲节能如下图4所示，它的逻辑包括以下几个步骤：

(1)发现CPU空闲：带OS系统，表现为任务没有事件需要响应，或者进入idle进程；无OS系统，表现为程序运行结束。

(2) 选择一种合适的CPU节能模式：chip_EnterLowPower()完成进入节能前的准备工作，包括：关闭外设，切换I/O引脚到节能状态。

(3) 退出节能模式需要调用chip_ExitLowPower()，可能发生在以下2种情形：

a.  需要使用被关闭外设的ISR：

b. 由process直接退出；

   chip_ExitLowPower()的善后工作包括：使能外设，切换I/O引脚到工作状态。同时为避免ISR和process两次操作chip_ExitLowPower()，该函数设置了状态变量避免重复退出。

图4  CPU空闲节能策略

 

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