1、便攜式設(shè)備對(duì)處理器提出的挑戰(zhàn)

　　隨著電子便攜式設(shè)備在全球的風(fēng)行，人們對(duì)電子便攜式設(shè)備的要求也越來越高，希望產(chǎn)品有更多的功能，如手機(jī)攝像機(jī)自動(dòng)對(duì)焦與手機(jī)閃信與計(jì)步器；希望產(chǎn)品功耗更低，如無線設(shè)備、手持POS機(jī)和家庭醫(yī)療產(chǎn)品；希望產(chǎn)品體積更小，如運(yùn)動(dòng)手表；希望產(chǎn)品的保密性好；處理能力強(qiáng)，如便攜式儀器和高精度運(yùn)動(dòng)控制；希望價(jià)格更低和開發(fā)周期短。

　　然而困惑的是，很多的便攜式設(shè)備往往會(huì)同時(shí)要有上面的多個(gè)要求，然而現(xiàn)實(shí)中很難做到：同時(shí)滿足高速處理、低功耗和價(jià)格？ARM高速，但是功耗而價(jià)格高；同時(shí)滿足高速處理和小封裝？希望封裝面積小到3×3mm，又要不犧牲速度；同時(shí)滿足小封裝和SOC？需要ADC、SPI和12個(gè)I/O，而尺寸，最好小于5×5mm；開發(fā)周期，ARM性能完全合適，但ARM往往需要操作系統(tǒng)支持，開發(fā)周期長(zhǎng)，而市場(chǎng)機(jī)遇稍縱即逝。

　　為此，本文將從為電子便攜式設(shè)備開發(fā)解決上述這些難題出發(fā)，對(duì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)與方法和MCU在低功耗方面的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，并小尺寸系列單片機(jī)的應(yīng)用為例作出介紹。

　　2、如何設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)

　　問題提出：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)的功耗是否只是由單片機(jī)的功耗決定？回答是，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的系統(tǒng)，其系統(tǒng)的總能耗是由單片機(jī)能耗及其外圍電路能耗共同構(gòu)成。為了降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，除了要降低單片機(jī)自身的運(yùn)行功耗外，還要降低外圍電路的功耗。

　　2.1 如何設(shè)計(jì)低功耗單片機(jī)系統(tǒng)？

　　要設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)，需要從硬件和軟件兩方面入手。

　　2.11 硬件設(shè)計(jì)

　　*選用盡量簡(jiǎn)單的CPU內(nèi)核。在選擇CPU內(nèi)核時(shí)切忌一味追求性能。選擇的原則應(yīng) 該是“夠用就好”。8位機(jī)夠用，就沒有必要選用16位機(jī)。一般來說，單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，功耗也越大。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)單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。

　　*選用低電壓供電的系統(tǒng)。低電壓供電可以大大降低系統(tǒng)的工作電流。目前單片機(jī)從與TTL兼容的5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V供電，降低單片機(jī)的供電電壓可以有效降低其功耗。供電電壓降低也是未來單片機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

　　*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Idel(閑置)、Stop(停止)和Suspen(暫停)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。

　　*選擇合適的時(shí)鐘方案。時(shí)鐘的選擇對(duì)于系統(tǒng)功耗相當(dāng)敏感，有兩方面的問題要注意：

　　其一、系統(tǒng)總線頻率應(yīng)當(dāng)盡量低。單片機(jī)內(nèi)部的總電流消耗分為：運(yùn)行電流和漏電流。單片機(jī)集成度越高，環(huán)境溫度越高，漏電流也越大。單片機(jī)的運(yùn)行電流幾乎和其時(shí)鐘頻率成正比。降低時(shí)鐘頻率，就可以有效降低單片機(jī)的功耗。

　　其二、關(guān)于時(shí)鐘方案。是否使用鎖相環(huán)，使用內(nèi)部振蕩器還是外部振蕩器。現(xiàn)代單片機(jī)普遍使用鎖相環(huán)技術(shù)，使單片機(jī)的時(shí)鐘頻率可以由程序控制。單片機(jī)使用外部較低的振蕩器，通過軟件控制，系統(tǒng)時(shí)鐘可以在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)調(diào)整，得到比較高的總線時(shí)鐘。使用鎖相環(huán)會(huì)帶來額外的功耗。單就時(shí)鐘方案來講，使用外部晶振且不使用鎖相環(huán)是功率消耗最小的一種。有的單片機(jī)帶有內(nèi)部時(shí)鐘，也可使用外部時(shí)鐘。這可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需要使用雙時(shí)鐘：一個(gè)高速時(shí)鐘和一個(gè)低速時(shí)鐘。處理事件時(shí)使用高速時(shí)鐘，空閑時(shí)使用低速時(shí)鐘。這鐘雙時(shí)鐘系統(tǒng)可以有效地降低功耗。

　　2.12 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)對(duì)于一個(gè)低功耗系統(tǒng)的重要性常常被人們忽略。一個(gè)重要的原因是，軟件上的缺陷并不像硬件那樣容易發(fā)現(xiàn)，同時(shí)也沒有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷一個(gè)軟件的低功耗特性。盡管如此，設(shè)計(jì)者如果能盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，就可以避免那些“看不見”的功耗損失。

　　*用“中斷”代替“查詢”。在沒有要求低功耗的場(chǎng)合，程序使用中斷方式還是查詢方式并不重要。但在要求低功耗場(chǎng)合，這兩種方式相差甚遠(yuǎn)。使用中斷方式，CPU可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢方式下，CPU必須不停地訪問I／0寄存器，這會(huì)帶來很多額外的功耗。