由于微控制器激增到越來(lái)越多的權(quán)力受限的設(shè)計(jì)，加工效率成為越來(lái)越多的關(guān)注，以系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)器來(lái)獲得額外的處理能力以更低的功率是由電池不僅是重要的操作的產(chǎn)品，但是，越來(lái)越多的功率也制約了許多“插件”模塊，其中功率由模塊規(guī)格的限制。在這些情況下，一個(gè)有效的設(shè)計(jì)將能夠提供更多的功能，并創(chuàng)建一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)一個(gè)效率較低的實(shí)施。 MCU設(shè)計(jì)的一個(gè)被忽視的方面是在時(shí)鐘控制區(qū)。設(shè)計(jì)人員往往可以通過使用時(shí)鐘控制模塊的高級(jí)特性來(lái)調(diào)整時(shí)鐘為CPU，外設(shè)和其他耗電的資源打造更高效的設(shè)計(jì)。本文將探討先進(jìn)的時(shí)鐘控制模塊一些常用功能的能力，并展示它們的使用如何能改善大多數(shù)MCU為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)處理效率。

時(shí)鐘源

MCU的總體操作由一個(gè)時(shí)鐘控制塊和許多時(shí)鐘控制塊管理具有的功能，可用于選擇，控制和管理的時(shí)鐘源的CPU，內(nèi)存，外圍設(shè)備，和模擬模塊。通過控制時(shí)鐘這些塊，甚至關(guān)閉的時(shí)鐘不被在某些處理程序使用的功能，功率可以被應(yīng)用到需要它和MCU的只是部分只是在需要時(shí)，使得對(duì)于一個(gè)非常有效的實(shí)現(xiàn)。的起點(diǎn)的時(shí)鐘管理和控制是可使用的不同的時(shí)鐘源的各種子模塊。了解每一個(gè)時(shí)鐘源的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是起點(diǎn)的高效的MCU執(zhí)行。許多共同的時(shí)鐘源和控制功能中提供了意法半導(dǎo)體ST32F37xx MCU的時(shí)鐘控制塊。例如，高速外部（HSE）時(shí)鐘，如圖1所示的左中，使用任一外部晶體/陶瓷諧振器或現(xiàn)有的用戶提供的時(shí)鐘。外部晶體/陶瓷諧振器可以操作4至32兆赫，并產(chǎn)生一個(gè)非常精確的主時(shí)鐘速率。如果現(xiàn)有的外部時(shí)鐘已經(jīng)可用，或如果用戶希望實(shí)行額外控制的時(shí)鐘源（可能停止或更細(xì)的低功率操作控制減慢時(shí)鐘），外部時(shí)鐘輸入都可以使用。這也釋放了一個(gè)附加的GPIO引腳，因?yàn)樯倭艘粋€(gè)引腳，需要在諧振器實(shí)現(xiàn)。

（意法半導(dǎo)體公司提供）的高速內(nèi)部從內(nèi)部的8 MHz的RC振蕩器產(chǎn)生（HIS）的時(shí)鐘信號(hào)，并且可以直接用作系統(tǒng)時(shí)鐘或由兩個(gè)分割所使用由PLL之前。所述HIS RC振蕩器具有以低成本提供一個(gè)時(shí)鐘源，因?yàn)樗皇褂猛獠吭膬?yōu)點(diǎn)。它還具有比HSE晶體振蕩器更快的啟動(dòng)時(shí)間;然而，即使使用校準(zhǔn)的頻率比外部晶體振蕩器或陶瓷振蕩器不太準(zhǔn)確。注意，CPU時(shí)鐘只能通過的高速時(shí)鐘的一個(gè)或從PLL的輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)。該STM32F37xx也有兩個(gè)低速時(shí)鐘源。的低速外部（LSE）晶體/陶瓷振蕩器示出在圖1的頂部，并使用高精度32.768kHz的諧振器來(lái)創(chuàng)建精確時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）的外圍。低速內(nèi)部RC振蕩器提供用于自動(dòng)喚醒從低功耗停止/睡眠模式時(shí)，它驅(qū)動(dòng)獨(dú)立看門狗定時(shí)器和可選的RTC 40kHz的信號(hào)。低功耗時(shí)鐘從高速時(shí)鐘獨(dú)立運(yùn)作，以便他們外設(shè)可以當(dāng)主系統(tǒng)時(shí)鐘被關(guān)閉，從而節(jié)省顯著電源也能工作。這些時(shí)鐘源均顯示出典型的來(lái)源，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)微控制器。時(shí)鐘源，如在圖1中所見只是的起點(diǎn)，在大多數(shù)的MCU的時(shí)鐘架構(gòu)。一般的時(shí)鐘可被進(jìn)一步選擇，加工（通常與一個(gè)或多個(gè)鎖相環(huán)，或PLL，塊），或啟用的所有下控制MCU。我們將繼續(xù)我們的時(shí)鐘控制的探索通過查看下一節(jié)一個(gè)PLL模塊的典型功能。

鎖相環(huán)操作

不同的時(shí)鐘操作的模塊，例如在鎖相環(huán)（PLL）和鎖頻環(huán)（FLL）塊，是最重要的，但典型地小于理解在一個(gè)時(shí)鐘控制模塊元件。飛思卡爾的Kinetis K10子系列MCU具有多用途時(shí)鐘發(fā)生器（MCG）模塊，其中包括一個(gè)FLL和PLL，所以它是一個(gè)很好的例子來(lái)審查。該的Kinetis K10 MCG FLL是可控通過任何一個(gè)內(nèi)部或外部參考時(shí)鐘。該P(yáng)LL是可控的外部基準(zhǔn)時(shí)鐘。該模塊可以選擇的FLL-或PLL輸出時(shí)鐘的內(nèi)部 - 或外部參考時(shí)鐘或任一作為MCU系統(tǒng)時(shí)鐘源。 MCG的操作與一個(gè)晶體振蕩器，其允許外部晶體，陶瓷諧振器，或其他外部時(shí)鐘源，以產(chǎn)生所述外部參考時(shí)鐘一起使用。

（飛思卡爾提供）的FLL塊，在圖2的中間所示，它選擇的時(shí)鐘源，且運(yùn)行在它創(chuàng)建所需的時(shí)鐘頻率。輸入時(shí)鐘可以通過十六個(gè)不同的值進(jìn)行劃分，從1至1536，以創(chuàng)建之間31.25kHz到39.0625千赫的基頻。基頻，然后通過數(shù)字控制的振蕩器（DCO）相乘來(lái)創(chuàng)建從20兆赫和96兆赫之間的所需輸出頻率。從多種頻率，通過使用FLL進(jìn)行選擇的能力，可輕松調(diào)整時(shí)鐘速率為只是操作所需的特定模式的正確的頻率，提高了處理效率。該P(yáng)LL操作以類似的方式，但采用的是電壓控制振蕩器（VCO）來(lái)調(diào)整時(shí)鐘輸出頻率。的輸入時(shí)鐘的PLL能夠由一個(gè)預(yù)定標(biāo)器被除以2至25.一種相位檢測(cè)器的因子結(jié)合了PLL的輸入時(shí)鐘與VCO輸出時(shí)鐘由一個(gè)因子乘以輸入信號(hào)從24至55 。所有這除法和乘法的結(jié)果是一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，它是所需要的應(yīng)用的精確值。通常有由PLL在FLL需要額外的電源，但PLL有更精細(xì)的調(diào)整，提高精度。注意，無(wú)論是在PLL或FLL可被禁用，以降低功耗，如果他們不要求產(chǎn)生所需的應(yīng)用，例如頻率，在外部時(shí)鐘信號(hào)提供所需的精確頻率的情況。

外設(shè)時(shí)鐘控制

后的源時(shí)鐘進(jìn)行了調(diào)整（如果需要）通過使用有PLL它是由時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)提供單獨(dú)的時(shí)鐘為每個(gè)鍵的MCU塊。該CPU及其相關(guān)存儲(chǔ)系統(tǒng)將需要自己的時(shí)鐘，但通常各種外設(shè)都會(huì)有自己的時(shí)鐘，以及。更細(xì)碎的外設(shè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是，越容易分別選擇和控制的時(shí)鐘，以及調(diào)節(jié)操作頻率，以該應(yīng)用程序所需。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)被控制的通常的方法是添加時(shí)鐘分頻器電路（因?yàn)樗峭ǔＳ糜趯⑼鈬倪\(yùn)行速度比在CPU慢）和偶數(shù)時(shí)鐘禁止電路中，如果外圍不需要在所有。更控制可用的更多的功率和性能可以進(jìn)行調(diào)整，但在某些方面的附加模腔（及其相關(guān)的成本），并需要額外的功率必須考慮。通常，制造商限制從提供完全靈活性的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，而是試圖提供足夠的能力，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用程序來(lái)獲得顯著能力和處理效率。 NXP，其LPC15xx MCU，已分割的時(shí)鐘分頻器每個(gè)鍵外圍功能，如圖3中，沿著非常實(shí)用線，因此很容易確定的設(shè)置要使用的每個(gè)子塊。例如，該時(shí)鐘信號(hào)到USART塊，在圖3的中部右側(cè)所示，從主時(shí)鐘源，但是使用USART外設(shè)時(shí)鐘分頻器可以預(yù)先分割（通過從1到255或完全禁用） 。這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可以被用于個(gè)人分?jǐn)?shù)波特率發(fā)生器（含16位時(shí)鐘除數(shù)可用），每個(gè)USART模塊中，可以很容易單獨(dú)設(shè)置波特率每個(gè)USART的。其它外設(shè)時(shí)鐘分頻器上提供一個(gè)共同的功能的基礎(chǔ)上可以很容易地配置和控制的性能，并且因此所有的關(guān)鍵周邊塊的功耗。

（恩智浦提供）分組外設(shè)時(shí)鐘按照職能是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，而是一個(gè)變得更加復(fù)雜，當(dāng)外圍設(shè)備能協(xié)同工作。例如，注意，ADC時(shí)鐘分頻可以從SC定時(shí)器PLL進(jìn)行采購(gòu)。這似乎是不必要的連接，直到你認(rèn)識(shí)到ADC可結(jié)合工作與SC定時(shí)器以周期性的轉(zhuǎn)換，而無(wú)需CPU干預(yù)。護(hù)理在創(chuàng)造所需的所需操作的靈活性，而不會(huì)加重與外部復(fù)雜的時(shí)鐘控制模塊的其他級(jí)別，是一個(gè)經(jīng)過深思熟慮的實(shí)施標(biāo)志。

動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制

一旦你選擇的時(shí)鐘在大多數(shù)電源和加工效率的方式不同外設(shè)，你可能會(huì)認(rèn)為你完成。為了獲得更大的性能和功耗控制，你可能也想動(dòng)態(tài)調(diào)整的視功能或模式MCU在某些加工或周邊塊的速度。靈活的時(shí)鐘選擇網(wǎng)絡(luò)是利用動(dòng)態(tài)時(shí)鐘所需的關(guān)鍵功能。于Silicon Labs MCU壁虎時(shí)鐘控制模塊，如圖4所示的部分，說明了這一點(diǎn)。在圖的左上側(cè)的高頻時(shí)鐘交換機(jī)可以從任一高頻時(shí)鐘（HFXO或HFRCO）或低頻時(shí)鐘（LFXO或LFRCO）選擇。這樣就可以很容易地“混搭”低頻源或高頻源取決于模式的設(shè)備在操作類型

（Silicon Labs公司提供）動(dòng)態(tài)時(shí)鐘選擇可進(jìn)入和走出了一條傳統(tǒng)的低功耗模式時(shí)，需要太多的最有用的“啟動(dòng)”時(shí)間（即使是高能效的Gecko MCU系列可能需要2微秒喚醒彌補(bǔ)了EM2低功耗狀態(tài)和高達(dá)160微秒的極低功耗EM4狀態(tài)）。通過動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)低頻率的時(shí)鐘，該功率節(jié)省是少的，但在快速響應(yīng)時(shí)間（通常在僅僅時(shí)鐘周期的量級(jí)）的速度要快得多。這可以使捕獲異步事件或缺失其之間的差異。有時(shí)鐘控制水平也可以增加使用低功耗狀態(tài)時(shí)，在工作狀態(tài)需要一個(gè)中檔的處理性能。尋找動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制的機(jī)會(huì)，在您的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最功耗和處理效率水平。

摘要

高級(jí)時(shí)鐘控制模塊提供了一些令人驚訝的功能，可以幫助管理一個(gè)MCU中的電源使用?？刂茣r(shí)鐘的外圍設(shè)備，管理CPU的時(shí)鐘速率，并在處理期間動(dòng)態(tài)地改變時(shí)鐘速率都只是一些可以被用來(lái)創(chuàng)建更高效的設(shè)計(jì)的技術(shù)。

審核編輯 黃宇