MCU低功耗设计（一）理论.pdf-资料库

Rime® 锐米通信 Rime® 研发经验 MCU 低功耗设计（一）理论一． MCU 耗能因素现代的 MCU 一般使用 CMOS 技术，耗能包括 2 方面：静态消耗主要是晶体管消耗能量；动态消耗公式=C×V2×f，其中 C 是 CMOS 的负载电容，V 是供电电压，f 是时钟频率；总电能消耗是静态消耗和动态消耗之和，即： IDD=f × IDynamicRun[uA/MHz]+IStatic[uA]. 因此，电能消耗依赖于： MCU 芯片尺寸或者说晶体管的数目； MCU 供电电压降低电压可以成平方级别地降低电能消耗；时钟频率可以把时钟频率降低到刚好满足应用需要；外设数目使能的外设越多，耗能越大；运行模式合理选择工作模式可以大幅节能，如，全速工作极短时间后进入睡眠模式。二．节能方法 1. 关闭不需要使用的外设； 2. 所有未使用的引脚必须连接到一个确定的逻辑电平； 3. 当有外设必须保持激活时，使用 Wait 模式来获得低功耗； 4. 使用合适的 VDD 值； 5. 尽可能地使用低功耗运行模式； 6. 如果不能使用低功耗模式，那就将主频降低到满足应用的最小值； 7. 如果可能，使用动态控制 I/O 引脚的上拉功能。 © 2015 Rime® Technology Inc. page -1

Rime® 锐米通信三．低功耗模式支持低功耗的 MCU 一般都有好几种运行模式，以 ST 公司的 STM8L 为例，它支持 5 种低功耗模式：等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止。每一种模式的进入方式，节能级别和外设工作要求，总结表 1：表 1 STM8L 低功耗运行模式模式入口晶振 CPU 外设唤醒等待低功耗运行低功耗等待主动停止停止 WFI WFE 软件代码软件代码 HALT HALT +WFE LSI 或 LSE LSI 或 LSE LSI 或 LSE 开关开开关开开开关开关关关关，仅 RTC 开关所有内部和所有内部软件代码，内部和外部外部中断，外部中断，外部中断，和外部中复位事件，复位 RTC 中断，复复位复位断，复位，唤醒事件位电压调节器 MVR MVR ULP ULP CLK_ICKCR ULP 程序执行区 FLASH FLASH RAM RAM FLASH FLASH FLASH+E2 开开关关关中断允许允许禁止禁止允许关允许中断服务后 AL=0：main WFE 返回状态 AL=1：WFI 事件处理后 / Main / / / AL=0：main AL=0：main AL=1 主动停止 AL=1：停止低功耗运行 / / © 2015 Rime® Technology Inc. page -2

Rime® 锐米通信返回状态 RAM+寄存器保留保留保留保留保留保留 @3V/25℃ 5.9uA 5.4uA 3.3uA 1.0uA 0.4uA 特殊事项 / / 禁止 ADC / 清除外设悬挂中断标志位上述低功耗运行模式对于开发者来说有点多，尤其刚接触 STM8L 处理器。我们需要一般性的指导原则，表 2 是来源于实践的经验。表 2 选择合理的 STM8L 节能模式节能要求应用场合睡眠时长唤醒方式恢复时长运行模式苛刻 CPU 空闲，等待外部信号唤醒苛刻 CPU 空闲，等待时钟周期唤醒长长外部中断 ≥2.8us HALT RTC 周期 ≥2.8us Active-halt 严格 CPU 有持续、微负荷任务运行 / / ≥2.8us 低功耗运行严格 CPU 短暂等待中断发生严格 CPU 短暂等待事件发生需要 CPU 有持续、轻负荷任务运行四．鲜为人知的技巧短短 / 任意中断注册事件 / 短短 / 等待中断等待事件调整主频 1. 使用 Wait 替换查询方式达到节能目的常见的查询方式如下，此时 CPU 无事可干，白白消耗电能。 ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */ while (!(ADC_SR & ADC_SR_EOC)) ; /* wait for EOC bit set */ 可以使用等待事件的方式来节省电能。先配置 ADC 为事件源，并使能相应的中断： © 2015 Rime® Technology Inc. page -3

Rime® 锐米通信 WFE_CR2 = ADC_COMP_EV; /* enable ADC as a source of event */ ADC_CR1 = ADC_EOCIE; /* enable interrupt for end of conversion */ 当 ADC 转换完成后，唤醒处于等待的 CPU： ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */ _asm(“wfe”); /* enter wait mode until waked by ADC_EOCIE */ 2. 无须上下文切换的中断模式应用程序设计时，如果所有中断事件由 ISR 完成，可以通过将 CFG_GCR 寄存器中 AL 位置 1 来节省电能：避免保存/恢复 context、无须主程序运行（返回到 WFI 模式），如下图 1 所示。 time main WFI ISR time main WFI ISR WFI WFI Int save context do job IRET restore context WFI do job Int IRET 节省电能 CFG_GCR.AL=0 CFG_GCR.AL=1 图 1 WFI 模式下中断无须上下文切换将 AL 位置 1 节省电能的方法同样可以用于 HALT 模式，原理如下图 2 所示。 time main HALT ISR time main HALT ISR HALT HALT Int save context do job IRET restore context HALT do job Int IRET 节省电能 CFG_GCR.AL=0 CFG_GCR.AL=1 © 2015 Rime® Technology Inc. page -4

Rime® 锐米通信图 2 HALT 模式下中断无须上下文切换 3. 动态设置 I/O 口的上拉功能很多应用需要按键作为人机接口，按键一般连接到 I/O 上。当按键没有动作时 I/O 口设置内部上拉而获得确定的逻辑电平；一旦按键按下，I/O 口对地导通将产生额外的 40～70uA 电流，这对于电池供电的低功耗来说是十分重要的。可以动态地控制 I/O 口的上拉达到节能的目的：一旦按键按下，中断服务程序将禁止该 I/O 口的上拉功能；然后软件定时执行—先使能上拉功能，再检测 I/O 口状态，如果按键仍按下再次禁止上拉功能，否则使能 I/O 口的上拉功能。整个逻辑如下图 3 所示： time Button Software I/O press Int disable pull-up enable pull-up check disable pull-up Int release enable pull-up 节省电能图 3 动态设置 I/O 口的上拉而节能 4. CPU 空闲节能策略 CPU 的空闲节能如下图 4 所示，它的逻辑包括以下几个步骤： (1)发现 CPU 空闲：带 OS 系统，表现为任务没有事件需要响应，或者进入 idle 进程；无 OS 系统，表现为程序运行结束。 (2) 选择一种合适的 CPU 节能模式：chip_EnterLowPower()完成进入节能前的准备工作，包括：关闭外设，切换 I/O 引脚到节能状态。 © 2015 Rime® Technology Inc. page -5

Rime® 锐米通信 (3) 退出节能模式需要调用 chip_ExitLowPower()，可能发生在以下 2 种情形： a. 需要使用被关闭外设的 ISR： b. 由 process 直接退出； chip_ExitLowPower()的善后工作包括：使能外设，切换 I/O 引脚到工作状态。同时为避免 ISR 和 process 两次操作 chip_ExitLowPower()，该函数设置了状态变量避免重复退出。 Ti Tj Tk Tl Tm time process ISR_i ISR_j EnterLP EnterLP ExitLP ExitLP CPU run idle run idle run 图 4 CPU 空闲节能策略 © 2015 Rime® Technology Inc. page -6

Rime® 锐米通信 Rime® 研发经验联系我们公司名称：长沙市锐米通信科技有限公司公司网站：www.rimelink.com 邮箱地址：sales@rimelink.com 联系电话：0731-82231246 公司地址：长沙市普瑞大道 278 号 48 栋 2504 作者简介：蒋俊，男，硕士研究生，现任长沙市锐米通信科技有限公司 CEO。从事通信研究与嵌入式开发 10 年，主攻微功率无线网络。精通 LoRa 无线扩频通信，无线星型/树型/MESH 网络设计；通晓 Contiki,Linux,uC/OS-II,OSAL 等操作系统；熟悉 ARM,DSP,STM8,PIC,PC104 等处理器；擅长 AD，RF 等集成 IC 开发。 Web: www.rimelink.com EMail: jiangjunjie_2005@126.com QQ 群：35212129 相关文章：《MCU 低功耗设计（二）实践》《MCU 低功耗设计（三）产品》 © 2015 Rime® Technology Inc. page -7

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