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了解高效MCU设计的功率和性能权衡

发布时间:2022/11/22 8:05:00

来源:http://www.szinter.com.cn/news892054.html

MCU它被用作几乎所有可想象的应用程序的主要控制元件。它们的力量和灵活性使它们成为大多数设计的核心部件。使用MCU创建高效设计的关键往往取决于功率和性能之间的智能平衡。许多MCU提供几种供应MCU供电选项可以限制MCU限制时钟速率MCU的性能。了解操作电压和操作时钟速率之间的共同关系,以获得下一个MCU最重要的是设计。

本文将快速回顾一些供应MCU电源的常见选项,并讨论可能导致的性能限制。将讨论修改操作电压以获得性能和功率效率的最佳组合,以帮助您选择和实现下一个基于MCU的设计。

考虑频率和工作电压-关键性能

性能和功率之间最基本的关系之一是MCU工作电压。操作电源与操作电压直接相关(因为它被定义为功率等于电压倍电流),因此您将用于设计MCU操作电源显然是一个关键因素。你可能会认为这意味着你应该总是使用最低功率MCU,但如果性能是你设计中的一个问题,你也需要考虑操作频率作为关键元素,MCU其工作电压往往限制工作频率。

许多MCU制造商了解操作电压、操作频率MCU性能和MCU操作功率之间关系的重要性,它们提供不同级别的操作功率和操作频率,以便更容易优化设计YO。UR系统要求。以瑞萨为例RL78 MCU有四个不同的工作电压范围,每个都支持不同的工作频率,如下图1所示。在1.6 V和1.8 V之间,RL78可以在1 MHz和4 MHz它们之间的任何地方都在运行。在2.7 V和5.5 V它可以在最大20之间 MHz下运行。因此,如果使用2.7 V而不是1.8 V,则RL只有50%的工作电压增加,78可以运行5倍的速度。

瑞萨RL78单片机电压-频率图像

图1:瑞萨RL78 MCU电压频率图。

在高压下工作时提高功率效率的关系有很多MCU当电源效率是您设计的关键要求时,它是常见的,也是最重要的关系之一。在很多情况下,会MCU保持尽可能低的功率状态可能是一种低睡眠模式,在需要一些治疗时唤醒它(可能是采样传感器检查是否需要进一步行动),这是非常有效的。需要处理时,通常以更快的频率运行,以最小化高功率状态下的时间,提高功率效率。如果处理速度能快五倍,而且只需要增加50%的操作功率(比如在RL78),你可以清楚地看到,所需的总能量要少得多,所以它将是一个更省电的设计。

时钟控制

MCU操作频率由时钟控制块管理;许多时钟控制块可用于选择、控制和管理CPU、时钟源的特点是存储器、外围设备和模拟块。通过控制这些块的时钟频率,甚至将时钟关闭到某些处理程序中未使用的特性,可以调整动态电流量(改变存储元件的信号或电压电平所需的电流)。最有效的方法。(注意,基于电池的应用,特别是目前最有意识的设计,通常是电池提供的总电流最关键的约束。)

微芯片中包含了许多最常用和最有用的时钟控制功能PIC32 MX MCU如图2所示,时钟控制块。大多数时钟控制模块的起点是时钟源,它可以独立优化多个模块的时钟。例如,PIC32 MX内部功率低RC振荡器(图2底部附近的振荡器)LPRC),当非常低的速度操作可接受时,可以使用。它起源于看门狗定时器(WDT),即使在非常低的功率模式下,这种关键定时器仍然可以使用。主振荡器(POSC)使用外部晶体产生精确的高速时钟源,用于设备的最高性能,并提供系统和USB PLL(图顶)。注意,单独PLL也意味着USB操作可以独立于系统时钟,提供额外的时钟优化和潜在的功率节约。快速RC振荡器(FRC)提供了一个8 MHz如果不需要外部振荡器,节省电路板空间和部件数量,并且可能节省功率,则不需要最高频率和精度。最后,外部32可以使用次级振荡器 kHz晶体低功率操作。

PIC32 MX1XX图像系列芯片

图2:微芯片PIC32 MX1XX时钟控制块在系列中。

可选择并进一步通过后缩放器、预缩放器和两个主时钟源PLL划分设备各子段所需的频率。固定除法16件,可选FRC后标除法器(由FRCdIV输入控制)为CPU和外围设备(SysCLK)创建主时钟。为了优化外围时钟的速度,最小化这些功能产生的动态电流,可以通过附加的后定标器进一步划分外围时钟。图2中显示的许多时钟选项可以通过配置寄存器来控制,也可以根据程序员预期的性能水平自动选择。现代MCU简单的应用程序接口(API)即使是最复杂的时钟管理器,在配置这些块时,也能简化和减少潜在的冲突。简化图形导向、代码示例和参考设计。

闪存性能和时钟频率

选择MCU代码闪存的性能往往被忽略。一些MCU具有快速的CPU周期时间,但这些快速操作速度可能受到闪存中存储数据的代码或访问时间的限制。例如,在ATMEL AT32 UC MCU闪存周期时间与工作频率有关,如下图3所示。闪存等待状态(FWS)的数目在33 MHz工作时间为零,读取访问时间只有一个周期。在66 MHz在工作频率下,闪存插入FWS,因此,访问时间需要两个周期。因此,你可能希望33 MHz即使在运行66时,有效的工作频率也会结束 MHz时钟也是如此。MCU制造商已经开发了几种方法来减少等待状态的插入,所以你通常支付的费用比整个费用要少得多。

ATMEL ** R AT32 UC单片机图像

图3:Atmel ** R AT32 UC MCU闪存等待状态。

一种减少闪存等待状态的方法是流水线Flash接口,这是在ATMEL AT32 UC MCU采用的方法。这种装配线方法允许从顺序存储位置读取紧急信息(到目前为止,绝大多数代码存储器访问是连续的,因为通常只需要继续执行下一个指令)而不需要读取惩罚。这导致平均开支在有效周期内只有15%,而不是你预期的100%。减少慢闪存访问的另一种常见方法是使用本地内存缓存,以便在不完全读取慢闪存块的情况下重复访问已获得的数据。在设计中,您应仔细检查闪存访问与整体处理性能之间的相互作用,以确定您选择的时钟速度对整体处理性能的影响。

把它关掉

MCU最省电的操作模式之一是完全关闭设备,导致零功耗。MCU如果你需要确保一定数量的操作总是发生,性能也是有效的零,所以这可能不是一个很有用的方法。例如,即使设备关闭,您也可能需要实时钟来保持准确的时间记录。幸运的是,有些MCU可以在电池备份模式下运行,即使设备的其他部分关闭,简单的操作也可以继续。

德克萨斯仪器提供了这种能力MSP430X5XX/6xx单片机系列。如下图4所示,如果主电源(DVCC)电池备用块从次级电源发生故障(VBAT)提供子系统。备份提供的子系统通常包含一个实时时钟模块(与所需的一起)LF晶体振荡器)和备用RAM。块的各种操作由寄存器位控制(带BAK前缀信号),使充电、选择和ADC处理器可以管理所有操作。当需要RTC和备用SRAM它们能耗尽电池电压,RTC甚至可以用来打开剩下的MCU定期操作。这节省了最大功率,创建了一个非常有效的空间和功率控制系统,完全关闭(以零频率运行)CPU,同时,耗散非常小(实际为零)的系统功率可能是最终功率性能的折衷。

德克萨斯仪器MSP430X5XX/6XX单片机图像

图4:德克萨斯仪器MSP430X5X/6XX单片机系列电池备份子系统。

总结

使用MCU创建高效设计的关键往往取决于功率和性能之间的智能平衡。MCU提供几种供应MCU它们可以限制供电选项MCU时钟速率,从而限制性能。管理时钟,选择正确的操作电压电平,了解电压电平和闪存性能之间的关系,以创建最有效的MCU设计至关重要。

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