Анотація: У цій лекції розповідається про режими зниженого енергоспоживання мікроконтролера, а також про структуру та організацію таких допоміжних апаратних засобів як тактові генератори, схеми контролю напруги живлення, сторожові таймери і додаткові модулі мікроконтролера.
4.7. Мінімізація енергоспоживання в системах на основі МК
Малий рівень енергоспоживання є часто визначальним фактором при виборі способу реалізації цифрової керуючої системи. Сучасні МК надають користувачеві великі можливості в плані економії енергоспоживання і мають, як правило, такі основні режими роботи:
- активний режим (Run mode) - основний режим роботи МК. В цьому режимі МК виконує робочу програму, і всі його ресурси доступні. Споживана потужність має максимальне значення PRUN. Більшість сучасних МК виконано по КМОП-технології, тому потужність споживання в активному режимі сильно залежить від тактової частоти;
- режим очікування (Wait mode, Idle mode або Halt mode). В цьому режимі припиняє роботу центральний процесор, але продовжують функціонувати периферійні модулі, які контролюють стан об'єкта управління. При необхідності сигнали від периферійних модулів переводять МК в активний режим, і робоча програма формує необхідні керуючі впливи. Переклад МК з режиму очікування в робочий режим здійснюється по перериваннях від зовнішніх джерел або периферійних модулів, або при скиданні МК. У режимі очікування потужність споживання МК PWAIT знижується в порівнянні з активним режимом в 5 ... 10 разів;
- режим зупинки (Stop mode, Sleep mode або Power Down mode). В цьому режимі припиняє роботу як центральний процесор, так і більшість периферійних модулів. Перехід МК зі стану зупинки в робочий режим можливий, як правило, тільки по перериваннях від зовнішніх джерел або після подачі сигналу скидання. В режимі зупинки потужність споживання МК PSTOP знижується в порівнянні з активним режимом приблизно на три порядки і складає одиниці мікроват.
Два останніх режиму називають режимами зниженого енергоспоживання. Мінімізація енергоспоживання системи на МК досягається за рахунок оптимізації потужності споживання МК в активному режимі, а також використання режимів зниженого енергоспоживання. При цьому необхідно мати на увазі, що режими очікування і зупинки істотно відрізняються часом переходу з режиму зниженого енергоспоживання в активний режим. Вихід з режиму очікування зазвичай відбувається протягом 3 ... 5 періодів синхронізації МК, в той час як затримка виходу з режиму зупинки становить кілька тисяч періодів синхронізації. Крім зниження динаміки роботи системи значний час переходу в активний режим є причиною додаткової витрати енергії.
Потужність споживання МК в активному режимі є однією з найважливіших характеристик контролера. Вона в значній мірі залежить від напруги живлення МК і частоти тактирования.
Залежно від діапазону живлячих напруг все МК можна розділити на три основні групи:
- МК з напругою живлення 5,0 В ± 10%. Ці МК призначені, як правило, для роботи в складі пристроїв з живленням від промислової або побутової мережі, мають розвинені функціональні можливості і високий рівень енергоспоживання.
- МК з розширеним діапазоном напруг живлення: від 2,0 ... 3,0 В до 5,0-7,0 В. МК даної групи можуть працювати в складі пристроїв як з мережевим, так і з автономним живленням.
- МК із зниженою напругою живлення: від 1,8 до 3 В. Ці МК призначені для роботи в пристроях з автономним живленням і забезпечують економну витрату енергії елементів живлення.
Залежність струму споживання від напруги живлення МК майже прямо пропорційна. Тому зниження напруги харчування має велике значення знижує потужність споживання МК. Необхідно, однак, мати на увазі, що для багатьох типів МК зі зниженням напруги живлення зменшується максимально допустима частота тактирования, тобто виграш в споживаної потужності супроводжується зниженням продуктивності системи.
Більшість сучасних МК виконано за технологією КМОП, тому потужність споживання в активному режимі PRUN практично прямо пропорційна тактовій частоті. Тому, вибираючи частоту тактового генератора. не слід прагнути до гранично високій швидкодії МК в задачах, які цього не вимагають. Часто визначальним фактором виявляється роздільна здатність вимірювачів або формувачів часових інтервалів на основі таймера або швидкість передачі даних по послідовному каналу.
У більшості сучасних МК використовується статична КМОП-технологія, тому вони здатні працювати при як завгодно низьких тактових частотах аж до нульових. У довідкових даних при цьому вказується, що мінімальна частота тактирования дорівнює dc (direct current). Це означає, що можливе використання МК в покроковому режимі, наприклад, для налагодження. Потужність споживання МК при низьких частотах тактирования зазвичай відображає значення струму споживання при fOSC = 32768 Гц (часовий кварцовий резонатор).
4.8. Тактові генератори МК
Сучасні МК містять вбудовані тактові генератори. які вимагають мінімального числа зовнішніх времязадающих елементів. На практиці використовуються три основних способи визначення тактової частоти генератора: за допомогою кварцового резонатора, керамічного резонатора і зовнішньої RC-ланцюга.
Типова схема підключення кварцового або керамічного резонатора наведена на рис. 4.9а.
Мал. 4.9. Тактирование з використанням кварцового або керамічного резонаторів (а) і з використанням RC-ланцюга (б).
Кварцовий або керамічний резонатор Q підключається до висновків XTAL1 і XTAL2. які зазвичай представляють собою вхід і вихід инвертирующего підсилювача. Номінали конденсаторів C1 і C2 визначаються виробником МК для конкретної частоти резонатора. Іноді потрібно включити резистор порядку декількох мегаом між висновками XTAL1 і XTAL2 для стабільної роботи генератора.
Використання кварцового резонатора дозволяє забезпечити високу точність і стабільність тактової частоти (розкид частот кварцового резонатора зазвичай становить менше 0,01%). Такий рівень точності потрібно для забезпечення точного ходу годинника реального часу або організації інтерфейсу з іншими пристроями. Основними недоліками кварцового резонатора є його низька механічна міцність (висока крихкість) і відносно висока вартість.
При менш жорстких вимогах до стабільності тактової частоти можливе використання більш стійких до ударного навантаження керамічних резонаторів. Багато керамічні резонатори мають вбудовані конденсатори, що дозволяє зменшити кількість зовнішніх елементів, що підключаються з трьох до одного. Керамічні резонатори мають розкид частот порядку декількох десятих часток відсотка (зазвичай близько 0,5%).
Найдешевшим способом завдання тактової частоти МК є використання зовнішньої RС-ланцюга, як показано на рис. 4.9б. Зовнішня RC-ланцюг не забезпечує високої точності завдання тактової частоти (розкид частот може доходити до десятків відсотків). Це неприйнятно для багатьох додатків, де потрібен точний підрахунок часу. Однак є маса практичних завдань, де точність завдання тактової частоти не має великого значення.
Залежність тактової частоти МК від номіналів RC-ланцюга залежить від конкретної реалізації внутрішнього генератора і наводиться в керівництві по застосуванню контролера.
Практично всі МК допускають роботу від зовнішнього джерела тактового сигналу. який підключається до входу XTAL1 внутрішнього підсилювача. За допомогою зовнішнього тактового генератора можна задати будь-яку тактову частоту МК (в межах робочого діапазону) і забезпечити синхронну роботу декількох пристроїв.
Деякі сучасні МК містять вбудовані RC або кільцеві генератори, які дозволяють контролеру працювати без зовнішніх ланцюгів синхронізації. Робота внутрішнього генератора зазвичай вирішується шляхом програмування відповідного біта регістра конфігурації МК.
У більшості моделей МК частота времязадающего елемента (резонатора або RC-ланцюга) і частота тактирования fBUS жорстко пов'язані коефіцієнтом ділення вбудованого дільника частоти. Тому зміна частоти програмним шляхом не представляється можливим. Однак ряд останніх сімейств МК (наприклад, HC08 фірми Motorola) мають в своєму складі схему тактирования, засновану на принципі синтезатора частоти з контуром фазового автопідстроювання (PLL - phase loop lock). Така схема працює як помножувач частоти і дозволяє задавати тактову частоту за допомогою низькочастотного кварцового резонатора, що знижує рівень електромагнітного випромінювання МК. Коефіцієнти розподілу контуру PLL можуть бути змінені програмним шляхом, що дозволяє знизити тактову частоту (і, відповідно, споживану потужність) в проміжки часу, коли високу швидкодію не потрібно.
У деяких МК сімейства AVR фірми Atmel тактова частота контролера, що задається внутрішньої RC-ланцюгом, також може змінюватися програмними засобами.