高速微控制器廣泛用于便攜式設(shè)備。通過正確使用電源管理模式，設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化當(dāng)今新系統(tǒng)中使用的電池的使用壽命。本應(yīng)用筆記探討了通過選擇高效時(shí)鐘源和時(shí)鐘速度、使用停止模式、空閑模式和突發(fā)模式來降低功耗的方法。Maxim高速微控制器和超高速閃存微控制器系列為用戶提供電池備份應(yīng)用的高級(jí)功能。

便攜式產(chǎn)品在特性和功能方面不斷進(jìn)步?？蛻粢笃洚a(chǎn)品具有更高的性能，這需要更大的計(jì)算能力。同時(shí)，他們希望產(chǎn)品功耗更低。這些競爭需求的核心是微控制器，它通常是便攜式儀器中最大的功耗之一。

存在低功耗處理器，它們通常性能有限。Maxim的高速微控制器系列是功耗和性能的良好折衷方案。它基于8051架構(gòu)，這是世界上最受歡迎的微控制器之一。設(shè)計(jì)人員看重其易用性、豐富的 I/O 結(jié)構(gòu)和廣泛接受度。它的流行已經(jīng)延續(xù)到便攜式領(lǐng)域，在許多應(yīng)用中找到了家。

本文介紹了使用 8051 控制器最大限度地降低功耗的方法，重點(diǎn)介紹了可延長基于 8051 的高性能設(shè)計(jì)的電池壽命的新架構(gòu)改進(jìn)。本文討論了將外設(shè)集成在片上并選擇合適的時(shí)鐘源作為降低功耗的方法。介紹了節(jié)能軟件技術(shù)，以及降低使用停止模式的系統(tǒng)功耗的方法。

時(shí)鐘速度

在任何微控制器設(shè)計(jì)中，決定功耗的最重要因素是系統(tǒng)時(shí)鐘速度。互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件的功耗與時(shí)鐘速度成正比。因此，從電源的角度來看，以盡可能慢的速度運(yùn)行處理器是有益的。

圖1顯示了通用8051微控制器的典型功耗曲線，這是所有便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都知道的關(guān)系。通常，電流與頻率特性是線性的，具有直流偏移。該靜態(tài)電流由片內(nèi)靜態(tài)電路引起，例如比較器、運(yùn)算放大器等。雖然這個(gè)數(shù)字通常很小（<1mA），但它是一個(gè)需要考慮的恒定漏極。

圖1.通用 8051 微控制器的典型功耗曲線。

任何注重功耗的設(shè)計(jì)都會(huì)嘗試盡可能慢地運(yùn)行。確定最小系統(tǒng)頻率以及最小功耗取決于許多因素，包括所需的性能和中斷延遲。然而，無論使用什么標(biāo)準(zhǔn)，最終目標(biāo)都是相同的：使器件的工作頻率盡可能與應(yīng)用要求相匹配。

高速核心

降低基于 8051 的設(shè)計(jì)功耗的最直接方法是提高微控制器的效率。8051 的原始設(shè)計(jì)基于 12 時(shí)鐘、每臺(tái)機(jī)器 2 次抓取的周期架構(gòu)。然而，高速微控制器系列使用每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)核 4 或 1 時(shí)鐘。它的計(jì)算效率更高，執(zhí)行指令所需的時(shí)鐘周期更少，從而縮短執(zhí)行時(shí)間并提高最大時(shí)鐘速率。

雖然高速內(nèi)核的優(yōu)勢通常從性能方面考慮，但它們對功耗也有重要影響。當(dāng)處理器的指令執(zhí)行得到優(yōu)化時(shí)，完成相同任務(wù)所需的時(shí)間更少。許多便攜式產(chǎn)品以突發(fā)模式運(yùn)行，其特點(diǎn)是活動(dòng)時(shí)間短，例如記錄環(huán)境數(shù)據(jù)或掃描條形碼，然后長時(shí)間不活動(dòng)。減少處理器必須處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間可以相應(yīng)地降低能耗。

這種效率提高的另一個(gè)結(jié)果是，在降低時(shí)鐘速度的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)男阅?。如果重新設(shè)計(jì)的內(nèi)核每個(gè)周期使用4個(gè)時(shí)鐘而不是12個(gè)時(shí)鐘，這意味著可以在降低晶體速度的情況下完成相同的工作。由于功耗與晶體速度成正比，因此可以在不犧牲性能的情況下降低功耗。

圖2顯示了三個(gè)微控制器以相同的性能水平執(zhí)行相同任務(wù)的功耗。兩個(gè)微控制器是標(biāo)準(zhǔn)的80C3x衍生產(chǎn)品，每個(gè)機(jī)器周期工作在12個(gè)外部時(shí)鐘，而第二個(gè)是DS80C320微控制器，每個(gè)機(jī)器周期工作4個(gè)時(shí)鐘。測量所有器件的電流消耗，然后進(jìn)行比較，假設(shè)DS250C2的保守性能提高了5%（80.320倍）。從圖中可以明顯看出，在相同的吞吐量下，每個(gè)周期內(nèi)核的時(shí)鐘減少會(huì)顯著降低，尤其是在高性能水平下。

圖2.縮短時(shí)鐘周期的內(nèi)核在整個(gè)過程中使用較少的電流。

集成

片上集成外設(shè)是一種省電方法。當(dāng)驅(qū)動(dòng)片外信號(hào)時(shí)，發(fā)生器件必須應(yīng)對驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載所需的開關(guān)功率和任何直流損耗。開關(guān)功率（PSW）是數(shù)字信號(hào)變化時(shí)消耗的功率。開關(guān)功率近似如下：

其中C是接收柵輸入緩沖器的集總電容和兩個(gè)柵極之間的互連，T是信號(hào)的時(shí)鐘周期。CMOS輸入的典型輸入電容為10pF。雖然很難計(jì)算出系統(tǒng)的開關(guān)功率的確切值，但很明顯，微控制器必須驅(qū)動(dòng)的每個(gè)額外的外部負(fù)載或引腳都會(huì)消耗額外的功率。

基于微控制器的系統(tǒng)通常使用許多外設(shè)。這些范圍從外部UART和上電復(fù)位電路到看門狗定時(shí)器。8051產(chǎn)品系列的優(yōu)勢之一是片上提供了大量外設(shè)功能。除了通過消除組件來簡化設(shè)計(jì)外，集成外設(shè)還可以降低功耗?？梢约僭O(shè)任何外設(shè)的核心功能消耗相同的功率，無論是位于處理器內(nèi)部還是外部。然而，在片上定位外設(shè)將消除與驅(qū)動(dòng)外部總線相關(guān)的開關(guān)功率損耗。

內(nèi)部程序存儲(chǔ)器

另一個(gè)通常不被視為外設(shè)的8051功能是程序存儲(chǔ)器。所有 8051 衍生產(chǎn)品都集成了不同數(shù)量的片上程序存儲(chǔ)器。許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員希望將其作為減少元件數(shù)量和電路板面積的方法，但它也延長了便攜式系統(tǒng)的電池壽命。如前所述，這將通過消除驅(qū)動(dòng)外部總線的需要來降低功耗。使用片上存儲(chǔ)器時(shí)，還可以節(jié)省額外的功耗。8051 架構(gòu)需要使用 74373 型鎖存器來解復(fù)用地址的較低字節(jié)。圖3比較了內(nèi)部程序存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器的使用。第一種使用DS87C520高速微控制器，帶有74AC573鎖存器和27C256 EPROM，訪問時(shí)間為70ns。第二個(gè)系統(tǒng)使用相同的微控制器，但由內(nèi)部存儲(chǔ)器運(yùn)行。兩個(gè)系統(tǒng)的工作頻率均為11.0592MHz，執(zhí)行一個(gè)簡短的通用程序。從圖中可以明顯看出，通過消除系統(tǒng)中的外部EPROM和鎖存器，可以在高頻下節(jié)省多達(dá)49mA的電流。

圖3.使用內(nèi)部存儲(chǔ)器可顯著降低電流消耗。

內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

如前所述，使用片上存儲(chǔ)器而不是外部RAM將節(jié)省功耗。80C32衍生產(chǎn)品（256字節(jié)）的擴(kuò)展暫存器足以用于堆棧操作和小程序中的一些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，無需外部RAM。

但是，對于需要更多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或需要實(shí)現(xiàn)外部堆棧的設(shè)計(jì)，可能需要額外的SRAM。雖然可以使用低功耗SRAM，但其功耗還必須包括與74373串聯(lián)鎖存器相關(guān)的功耗以及驅(qū)動(dòng)外部總線的容性損耗。這可以通過使用具有擴(kuò)展片上RAM的設(shè)備來緩解。圖4顯示了使用映射到8051 MOVX數(shù)據(jù)空間的SRAM的兩個(gè)系統(tǒng)的功耗。第一種使用DS87C520高速微控制器，帶有74AC573鎖存器和DS2064 SRAM。第二個(gè)系統(tǒng)使用相同的微控制器，但使用1KB的內(nèi)部MOVX數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。兩個(gè)微控制器的工作頻率均為11.0592MHz，執(zhí)行一個(gè)簡短的通用程序，用于讀取和寫入MOVX數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。從圖中可以明顯看出，通過消除系統(tǒng)中的外部SRAM和鎖存器，可以在高頻下節(jié)省多達(dá)9mA的電流。

時(shí)鐘源

從電源的角度來看，另一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)組件是時(shí)鐘源。標(biāo)準(zhǔn) 8051 設(shè)計(jì)通常使用內(nèi)部振蕩器放大器激勵(lì)外部石英晶體，或使用外部晶體振蕩器。如果使用外部晶體振蕩器，時(shí)鐘的波形會(huì)影響功耗。XTAL1 引腳的輸入級(jí)用于將外部時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)到 8051 中，通常采用互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)輸入時(shí)鐘在高電平和低電平之間轉(zhuǎn)換時(shí)，驅(qū)動(dòng)器將暫時(shí)導(dǎo)通，從而導(dǎo)致明顯的電流浪涌。使用方波時(shí)，高電平和低電平狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換幾乎是瞬時(shí)的，并且兩個(gè)設(shè)備都打開的時(shí)間被最小化。上升和下降時(shí)間較慢的波形（如正弦波或三角波）將需要更長的時(shí)間才能完成轉(zhuǎn)換，并且在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器上花費(fèi)更多時(shí)間。這將增加電流和功耗。

圖4.無需外部SRAM和鎖存器可節(jié)省功耗。

圖5顯示了電流消耗與波形形狀的關(guān)系。時(shí)鐘源是一個(gè)可編程波形發(fā)生器，能夠輸出正弦波、三角波或方波。所示電流消耗平均為四個(gè)器件，包括傳統(tǒng)和高速內(nèi)核。比較表明，電流消耗與時(shí)鐘波形的上升（和下降）時(shí)間成正比。三角波的斜率最低，方波的斜率最高。方波平均比三角波小0.75mA。這意味著外部時(shí)鐘振蕩器設(shè)計(jì)中的電流消耗可以通過使用具有快速上升和下降時(shí)間的振蕩器來降低。在較低頻率下，當(dāng)設(shè)備在轉(zhuǎn)換中花費(fèi)更多時(shí)間時(shí)，這一點(diǎn)變得更加重要。

圖5.具有更銳邊的振蕩器波形可降低功耗。

一些 8051 衍生產(chǎn)品集成了片上內(nèi)部環(huán)形振蕩器。這通常是在其周圍傳播脈沖的逆變器鏈。這提供了一個(gè)大約 2MHz 至 4MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘源，能夠操作器件。因?yàn)樗恍枰褂镁w，所以它是一種非常低功率的時(shí)鐘源。對DS87C520高速微控制器的表征表明，環(huán)形振蕩器工作在約7.8051mA時(shí)可提供與3MHz 6相當(dāng)?shù)男阅?。雖然環(huán)形振蕩器不具備壓電晶體的穩(wěn)定性，但其低功耗和可忽略的上電延遲使其成為電源管理方案中的一個(gè)重要因素。

時(shí)鐘管理

如前所述，微控制器的工作頻率是影響器件功耗的最大單一因素。雖然系統(tǒng)時(shí)鐘頻率主要是一種硬件功能，但 8051 能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有限的控制。這些方法依賴于減慢或停止全部或部分器件的內(nèi)部工作頻率。傳統(tǒng)的 8051 架構(gòu)使用兩種時(shí)鐘控制模式：空閑和停止。

改進(jìn)停止模式

停止模式是 8051 設(shè)計(jì)人員可用的最低功耗狀態(tài)。在這種模式下，內(nèi)部晶體放大器停止，停止器件的運(yùn)行。從停止模式退出通常由外部復(fù)位啟動(dòng)。某些變體還支持使用外部中斷從停止模式退出。

與停止模式相關(guān)的缺點(diǎn)之一是晶體恢復(fù)運(yùn)行時(shí)在“死區(qū)時(shí)間”期間消耗的功率。晶體振蕩器依靠石英晶體的運(yùn)動(dòng)來運(yùn)行。物理限制要求晶體振蕩需要有限的時(shí)間才能達(dá)到足夠的振幅供器件運(yùn)行。無論時(shí)鐘源是外部晶體和內(nèi)部晶體放大器，還是使用外部晶體振蕩器，都會(huì)遇到此預(yù)熱期。這個(gè)時(shí)間可以在3ms到12ms之間，具體取決于晶體和相關(guān)放大器的特性。

預(yù)熱期對功耗的影響是，雖然設(shè)備在此期間沒有執(zhí)行任何有用的工作，但它仍在消耗功率。如果設(shè)備頻繁進(jìn)入和退出停止模式，或者退出停止模式以執(zhí)行短期任務(wù)，這可能會(huì)變得很重要。實(shí)際上，如果任務(wù)非常短（<5ms），晶體重啟周期可能會(huì)比任務(wù)本身消耗更多的功率。如果使用環(huán)形振蕩器從停止模式執(zhí)行“快速啟動(dòng)”，則可以避免這種延遲。這將大大減少退出停止模式時(shí)的電量。

圖 6 顯示了兩個(gè)系統(tǒng)從停止模式退出并執(zhí)行簡短任務(wù)的操作。一個(gè)器件集成了內(nèi)部環(huán)形振蕩器，另一個(gè)器件使用傳統(tǒng)的外部晶體。沒有環(huán)形振蕩器的器件必須承受晶體預(yù)熱期。在此期間，設(shè)備繼續(xù)消耗電量，但不做任何有用的工作。第二款器件是DS87C520高速微控制器，內(nèi)置環(huán)形振蕩器。這允許設(shè)備在退出停止模式時(shí)立即恢復(fù)操作。在本例中，要執(zhí)行的例程在大約 4MHz 時(shí)持續(xù)時(shí)間小于 2ms。如圖所示，在退出停止模式時(shí)使用環(huán)形振蕩器執(zhí)行短任務(wù)，可以大大降低能耗。

圖6.帶環(huán)和不帶振鈴的停止模式退出的比較。

在某些應(yīng)用中，在退出停止模式后不久可能需要晶體振蕩器的穩(wěn)定性。在這種情況下，環(huán)形振蕩器仍然可以是有利的。退出停止模式后，器件應(yīng)立即重新啟動(dòng)晶體振蕩器。然后，該器件可以在晶體仍在預(yù)熱時(shí)初始化任何必要的數(shù)據(jù)或寄存器。大多數(shù)高速微控制器都包含一個(gè)狀態(tài)位，用于指示晶體振蕩器是否已穩(wěn)定。一旦晶體振蕩器代碼的初始化程序完成，軟件就可以輪詢狀態(tài)位，以確定何時(shí)可以開始高精度定時(shí)操作。

提高停止模式效率的另一種方法是使用中斷退出而不是復(fù)位。這允許處理器按照 STOP 位設(shè)置后的指令立即恢復(fù)操作，而不必從復(fù)位矢量重新啟動(dòng)。這消除了確定復(fù)位原因的需要，并允許處理器在更短的時(shí)間內(nèi)開始執(zhí)行有用的工作。

空閑模式

空閑模式是原始 8051 架構(gòu)中使用的第二種時(shí)鐘管理模式。此模式停止 CPU 的運(yùn)行，但保持片上通用定時(shí)器運(yùn)行。在功耗敏感型應(yīng)用中，這些計(jì)時(shí)器用于定期喚醒設(shè)備以執(zhí)行任務(wù)或輪詢是否應(yīng)執(zhí)行任務(wù)。

由于標(biāo)準(zhǔn) 8051 定時(shí)器限制為 16 位，因此在 31MHz 時(shí)鐘速率下，最大超時(shí)周期為 16ms。如果需要更長的時(shí)間段，則需要多個(gè)計(jì)時(shí)器溢出。這將消耗額外的功率，因?yàn)樵O(shè)備必須偶爾恢復(fù)完全操作以增加計(jì)數(shù)器，但不執(zhí)行任何有用的工作。

對于較長時(shí)間，請使用周期較長的內(nèi)部計(jì)時(shí)器。一些 8051 衍生產(chǎn)品集成了看門狗定時(shí)器，也可用于喚醒設(shè)備?？撮T狗定時(shí)器可以編程為226個(gè)時(shí)鐘周期的長超時(shí)周期。這將允許在4MHz時(shí)的最大超時(shí)周期為2.16s。例如，假設(shè)應(yīng)用程序希望每 3 秒從低功耗狀態(tài)喚醒一次以執(zhí)行任務(wù)。如果使用內(nèi)部計(jì)時(shí)器對操作進(jìn)行計(jì)時(shí)，則設(shè)備必須退出空閑模式 96 次，而不會(huì)執(zhí)行有用的工作。如果使用具有較長超時(shí)的看門狗定時(shí)器，則器件將僅退出一次空閑模式，執(zhí)行任務(wù)，然后返回到低功耗狀態(tài)。

另一種選擇是使用具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）的微控制器。DS87C530高速微控制器集成了RTC，能夠產(chǎn)生長達(dá)24小時(shí)的報(bào)警周期。此警報(bào)產(chǎn)生的內(nèi)部中斷可能導(dǎo)致設(shè)備退出空閑或停止模式。使用 RTC 退出停止模式是長時(shí)間暫停設(shè)備操作的最有效方法。

電源管理模式

雖然空閑模式通過停止程序執(zhí)行來降低功耗，但內(nèi)部定時(shí)器繼續(xù)以外部時(shí)鐘頻率工作?？紤]到定時(shí)器基本上以“待機(jī)”容量運(yùn)行，這消耗了相當(dāng)大的功率。

更好的方法是降低整個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘速率。這可以通過內(nèi)部時(shí)鐘除數(shù)來完成，該除數(shù)在外部時(shí)鐘頻率進(jìn)入CPU之前對其進(jìn)行分頻。這種方案已經(jīng)在DS87C520高速微控制器中實(shí)現(xiàn)。該器件采用兩種時(shí)鐘除數(shù)功能：電源管理模式 1（將輸入時(shí)鐘源分頻 64）和電源管理模式 2（將輸入時(shí)鐘源分頻 1024）。這些模式通過在特殊功能寄存器中設(shè)置適當(dāng)?shù)奈粊韱⒂谩?/p>

圖7給出了DS87C520高速微控制器的時(shí)鐘除數(shù)和時(shí)鐘控制模式的比較。該圖對比了全速（除以 4）、電源管理模式 1（除以 64）、電源管理模式 2（除以 1024）、空閑模式和停止模式下的電流消耗。正如預(yù)期的那樣，停止模式消耗的電流最小，因?yàn)樗袃?nèi)部時(shí)鐘都已停止。這種比較的一個(gè)有趣結(jié)果是，兩種電源管理模式消耗的電流比空閑模式少。這不僅使設(shè)備能夠節(jié)省功率，而且允許其在低運(yùn)行水平下連續(xù)運(yùn)行。在傳統(tǒng)的 8051 架構(gòu)中，執(zhí)行任何類型的 CPU 活動(dòng)都是“全有或全無”。設(shè)備被迫以最高性能水平持續(xù)運(yùn)行，即使高性能只需要短時(shí)間。這不必要地增加了功耗。使用電源管理模式 （PMM） 允許設(shè)備（和系統(tǒng)）將其功耗與所需的性能水平相匹配。

圖7.完全/空閑/電源管理模式比較。

將中斷與 PMM 結(jié)合使用

使用內(nèi)部時(shí)鐘除數(shù)的一個(gè)可能后果是中斷延遲可能會(huì)大大增加。此外，降低內(nèi)部定時(shí)器的速度會(huì)影響 8051 串行端口生成標(biāo)準(zhǔn)波特率或與標(biāo)準(zhǔn)波特率同步的能力。這可能會(huì)嚴(yán)重干擾設(shè)備對外部刺激的反應(yīng)能力。一種解決方案是加入一項(xiàng)功能，該功能可在識(shí)別外部中斷或串行端動(dòng)時(shí)自動(dòng)將設(shè)備恢復(fù)到完全運(yùn)行狀態(tài)。這種機(jī)制已在DS87C520中實(shí)現(xiàn)。該設(shè)備的回切功能允許設(shè)備快速響應(yīng)外部中斷。一旦確認(rèn)中斷，設(shè)備將自動(dòng)切換回全速（除以 4），無需軟件干預(yù)。

串行端口以類似的方式運(yùn)行。在串行端口接收引腳上收到下降沿（起始位）后，器件將自動(dòng)切換回全速（除以 4）。由于這在傳輸開始時(shí)立即發(fā)生，因此設(shè)備將全速正確接收傳輸?shù)钠溆嗖糠?。對于傳統(tǒng)的 8051 架構(gòu)，在低功耗配置中使用串行端口的唯一方法是使用空閑模式。使用電源管理模式提供了一種低功耗的替代方案。

改進(jìn)突發(fā)模式操作

功耗敏感型設(shè)計(jì)中的常見工作模式是讓系統(tǒng)從停止模式喚醒，執(zhí)行突發(fā)活動(dòng)，然后返回停止模式。在這種系統(tǒng)中降低功耗的一種方法是提高工作頻率。起初，這似乎違反直覺。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，它將比以較低頻率運(yùn)行的系統(tǒng)消耗更多的功率。然而，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)消耗的靜態(tài)電流不是頻率的函數(shù)。在最終的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常會(huì)評估能量以確定電池壽命。在評估高性能微控制器時(shí)，這種區(qū)別很重要，因?yàn)樗Y(jié)合了時(shí)間和處理能力的概念。如果給定系統(tǒng)的功率和時(shí)間的乘積較小，則無論單個(gè)項(xiàng)如何，它都需要更少的能量。在許多情況下，可以證明高速微控制器實(shí)際上可以通過短時(shí)間快速運(yùn)行來降低能耗，而不是在較長時(shí)間內(nèi)運(yùn)行得更慢。

這可以通過重新檢查圖7來證明。假設(shè)DS87C520從停止模式恢復(fù)時(shí)，必須讀取I/O端口，執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算，并將結(jié)果輸出到另一個(gè)端口，需要500個(gè)機(jī)器周期的CPU時(shí)間。從圖中可以看出，12MHz時(shí)的電流消耗為4.10mA，34MHz時(shí)的電流消耗為6.30mA。表 1 總結(jié)了兩種速度下的任務(wù)結(jié)果。從表中可以看出，在30MHz下工作是最節(jié)能的，能耗降低了6%以上。

趕緊等待

在許多應(yīng)用中，停止模式的時(shí)間并不完全取決于速度。通常，設(shè)備必須訪問具有固定響應(yīng)時(shí)間的外圍設(shè)備，例如A / D轉(zhuǎn)換器或恒溫器。在這種情況下，微控制器將有一個(gè)突發(fā)活動(dòng)，通常是啟動(dòng)一個(gè)進(jìn)程，然后是一段時(shí)間很少或沒有活動(dòng)。在這種情況下，節(jié)能技術(shù)的組合可能是有效的。

一個(gè)實(shí)際示例可以說明帶有PMM的高速微控制器在這種系統(tǒng)中的優(yōu)勢。假設(shè)DS87C520與DS1620數(shù)字溫度計(jì)和恒溫器接口。此設(shè)備使用在模式 8051 下運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn) 0 串行端口進(jìn)行串行尋址。主機(jī)處理器偶爾會(huì)使用外部中斷將DS87C520從停止模式喚醒，并請求其讀取DS1620的溫度。數(shù)據(jù)檢索完成后，DS87C520將其存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中，以便稍后傳輸。DS1620的功能與許多A/D轉(zhuǎn)換器類似：發(fā)出命令開始轉(zhuǎn)換，然后在轉(zhuǎn)換完成時(shí)出現(xiàn)延遲，然后數(shù)據(jù)移出。DS1620的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為1秒。輪詢設(shè)備以確定轉(zhuǎn)換何時(shí)完成。DS87C520可以快速執(zhí)行初始化和計(jì)算功能，因此非常適合這樣的任務(wù)。然后，設(shè)備可以在等待轉(zhuǎn)換完成的同時(shí)將自身置于 PMM 中。在傳統(tǒng)的8051中，一旦轉(zhuǎn)換開始，空閑模式將用于將傳統(tǒng)的8051置于低功耗狀態(tài)。使用此模式允許內(nèi)部 16 位定時(shí)器測量轉(zhuǎn)換周期。傳統(tǒng)的 16 工作頻率為 8051MHz，可能需要退出多達(dá) 32 次空閑模式才能完成轉(zhuǎn)換。

表 1.500 個(gè)機(jī)器周期任務(wù)的能耗與處理器速度

在此示例中，可以進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)。由于DS1620作為同步器件，因此不需要高精度的定時(shí)操作。因此，微控制器可以在啟動(dòng)和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)通過環(huán)形振蕩器工作。這通過消除穩(wěn)定外部晶體所需的死區(qū)時(shí)間，進(jìn)一步節(jié)省功耗。

圖 8 顯示了實(shí)現(xiàn)上述“快點(diǎn)等待”方案的兩個(gè) 8051 系統(tǒng)的操作。從圖中可以看出，退出停止模式后，程序執(zhí)行期間的功耗顯著降低。除了使用 PMM2 而不是空閑模式可以節(jié)省功耗外，消除晶體預(yù)熱周期意味著例程可以更快地返回到停止模式。在 1s 轉(zhuǎn)換延遲期間從環(huán)形振蕩器運(yùn)行會(huì)進(jìn)一步降低處理器速度，從而節(jié)省更多功耗。

圖8.實(shí)施8051“趕緊等待”計(jì)劃。

總結(jié)

8051微控制器系列仍然是世界上最受歡迎的處理器之一。其易用性和相對較高的性能使其成為許多應(yīng)用的理想選擇，包括便攜式和手持式產(chǎn)品。Maxim高速微控制器的推出使現(xiàn)有8051設(shè)計(jì)無需昂貴的重新設(shè)計(jì)即可提高電源效率。

高速微控制器降低功耗的優(yōu)勢可總結(jié)如下：

高性能 CPU 允許減慢處理器時(shí)鐘，從而以更低的功耗獲得相同的性能水平?；蛘?，可以在不增加功耗的情況下提高現(xiàn)有系統(tǒng)的性能。

高速微控制器集成了看門狗定時(shí)器、附加UART和精密復(fù)位電路等功能。外部組件消耗更多功率。

引入兩種新的低功耗模式為空閑模式提供了一種低功耗替代方案。除了降低電流消耗外，DS87C520中使用的電源管理模式還允許處理器在低電平狀態(tài)下執(zhí)行輪詢等任務(wù)。傳統(tǒng)的 8051 架構(gòu)要求處理器以最大時(shí)鐘速率運(yùn)行，即使只需要最小的處理能力。

可編程時(shí)鐘速率和高性能內(nèi)核的優(yōu)勢可以與停止模式相結(jié)合，以大大降低功耗。已經(jīng)提供了一些示例，展示了如何通過將設(shè)備的時(shí)鐘速率與所需的性能水平相匹配來降低能耗。

審核編輯：郭婷