低功耗MCU动态时钟分析与应用
张志永
【摘 要】以MSP430系列MCU为例,介绍了通过改变MCU的时钟频率实现低功耗的设计方法.
【期刊名称】《电子技术应用》 【年(卷),期】2007(033)007 【总页数】3页(P19-21)
【关键词】动态时钟;低功耗;MCU;CPU 【作 者】张志永
【作者单位】北京微电子技术研究所,北京,100076 【正文语种】中 文 【中图分类】工业技术
低 功耗 M C U 动 态 时钟 分 析与 应 用张 志 永 （北 京 微 电 子 技 术 研 究 所 ， 北 京 1 0 0 0 7 6 ）摘 要 ： 以 M S P 4 3 0 系 列 M C U 为 例 ， 介 绍 了 通 过 改 变 M C U 的 时 钟 频 率 实 现 低 功 耗 的 设 计 方 法 。 关键 词 ： 动 态 时 钟 低 功 耗 M C U C P U随 着 IC技 术 的 迅 速 发 展 和 对 消 费 电 子 产 品 需 求 的 不断 增 长 ，大 量 的 便 携 式 设 备 被 广 泛 应 用 于 各 种 领 域 ， 从而 使 低 功 耗 成 为 系 统 设 计 中 越 来 越 被 关 注 的 问 题 。 功 耗不 但 直 接 决 定 通 常 靠 电 池 供 电 的 移 动 设 备 的 使 用 时 间， 而 且 极 大 地 影 响 着 芯 片 的 尺 寸 、 成 本 和 性 能 。 本 文 结 合M S P 4 3 0 系 列 微 处 理 器 ， 详
细 论 述 了 通 过 控 制 改 变 MC U 的 时 钟 频 率 来 降 低 功 耗 的 设 计 方 法 。 1功 耗 产 生 的 原 因 在C M O S 电 路 中 ， 功 耗 损 失 主 要 包 括 静 态 功 耗 损 失 和动 态 功 耗 损 失 两 部 分 。 其 中 静 态 功 耗 主 要 是 由 反 偏 PN 结 的 漏 电 流 和 晶 体 管 的 亚 阈 值 电 流 引 起 的 ， 其 最 主要 的 形 式 就 是 漏 电 损 失 。 其 实 C M O S 电 路 理 论 上 不 会 有 静电 功 耗 损 失 ， 因 为 从 供 应 电 源 到 地 面 没 有 直 接 的 路 径， 但 实 际 上 晶 体 管 总 会 有 漏 电 电 流 的 出 现 ， 从 而 出 现 漏电 损 失 。 在 0.1 8 bt, m 工 艺 水 平 之 下 ， 其 在 功 耗 中 所 占 比重 大 约 为 5 0 10 — 1 0 % ， 一 般 可 以 忽 略（但 是 随 着 工 艺 的提 高 ， 供 电 电 压 的 降 低 ， 又 使 其 所 占 比 重 逐 渐 上 升）。 这 样， 在 C M O S 电 路 中 ， 动 态 功 耗 就 成 了 这 个 系 统 功 耗 的 主要 组 成 部 分 ， 约 占 整 体 功 耗 的 9 0 0 10 以 上 。 定 量 地 分 析 电路 的 动 态 功 耗 ， 可 用 以 下 公 式 表 示 ： PD = C x y D D x a xf c r x 其中 ： C 为 负 载 电 容 ； y ∞ 为 电 源 电 压 ； d 为 翻 转 几 率 ， 即每 个 时 钟 周 期 中 发 生 的 充 放 电 周 期 个 数 ； f C L K 为 时 钟 频率 。 从 这 个 公 式 可 以 看 到 如 何 降 低 动 态 功 耗 从 而 降 低整 个 C M O S 电 路 的 功 耗 。 即 可 以 减 小 翻 转 的 负 载 电 容， 降 低 电 源 电 压 ， 减 小 节 点 的 翻 转 几 率 ， 或 者 降 低 时 钟频 率 。 本 文 将 主 要 围 绕 如 何 动 态 降 低 时 钟 频 率 实 现 低功 耗 设 计 。 ． ， ． 2动 态 时 钟 低 功 耗 管 理 原 理 MC U 系 统 设 计 是 个 很 复 杂 的 过 程 ， 在 一 些 条 件 下 可 能会 用 到 整 个 系 统 的 所 有 硬 件 资 源 ， 但 是 在 一 些 应 用 中 可能 只 需 要 其 中 很 少 的 一 部 分 硬 件 资 源 ； 在 某 些 应 用 中 可能 需 要 很 高 的 时 钟 频 率 ， 而 在 其 他 应 用 中 却 可 以 工 作 在很 低 的 工 作 频 率 中 。 例 如 ： 当 任 务 量 很 大 时 ， M C U 满 负荷 工 作 ， 则 需 要 较 高 的 时 钟 频 率 ， 功 耗 较 大 ； 当 任 务 量很 小 时 ， M C U 负 荷 较 轻 ， 所 需 时 钟 频 率 较 低 ， 功 耗 就 可 以相 应 降 低 。 动 态 配
置 系 统 的 时 钟 频 率 就 是 以 不 牺 牲 系统 的 性 能 为 前 提 ， 动 态 地 管 理 系 统 的 工 作 频 率 来 降 低 MC U 的 功 耗 。 3低 功 耗 动 态 时 钟 实 现 图1 为 M S P 4 3 0 系 列 M C U 基 础 时 钟 模 块 。 MS P 4 3 0 基 础 时 钟 模 块 包 含 以 下 3 个 时 钟 输 入 源 。 (1) L F X T I C L K 低 频 时 钟 源 ： 由 L F X T 1 振 荡 器 产 生（ 如图 2 所 示）。 通 过 软 件 将 状 态 寄 存 器 中 O S C O f f 复 位 后 ， LF X T 1 开 始 工 作 ， 即 系 统 采 用 低 频 工 作 。 如 果 L F X T I C L K 没有 用 作 S M C L K 或 M C L K 信 号 ， 则 可 以 用 软 件 将 O S - CO f f 置 位 ， 禁 止 L F X T 1 工 作 。 (2) X T 2 C L K 高 频 时 钟 源 ： 由 X T 2 振 荡 器 产 生 。 它 产 生时 钟 信 号 X T 2 C L K ， 其 工 作 特 性 与 L F X T 1 振 荡 器 工 作 在高 频 模 式 时 类 似 。 可 简 单 地 通 过 软 件 设 置 X T 2 振 荡 器 是否 工 作 ， 当 X T 2 C L K 没 有 用 作 S M C L K 或 M C L K 信 号 时， 关 闭 X T 2 ， 选 择 其 他 时 钟 源 。 (3) D C O C I K 数 字 控 制 R C 振 荡 器 。 由 集 成 在 时 钟 模 块中 的 D C O 振 荡 器 产 生 。 D C O 振 荡 器 是 一 个 R C 振 荡 器， 频 率 可 以 通 过 软 件 调 节 ， 其 控 制 逻 辑 如 图 3 所 示 。 当 振荡 器 L F X T 1 、 X T 2 被 禁 止 或 失 效 时 ， D C O 振 荡 器 被 自 动选 作 M C L K 的 时 钟 源 。 因 此 由 振 荡 器 失 效 引 起 的 系 统 中断 请 求 可 以 得 到 响 应 ， 甚 至 在 C P U 关 闭 的 情 况 下 也 能得 到 处 理 。 由 基 础 时 钟 模 块 可 以 提 供 系 统 所 需 的 3 种 时 钟 信 号， 即 ： A C L K 、 M C L K 、 S M C L K 。 其 中 辅 助 时 钟 A C L K 是 LF X T I C L K 信 号 经 1 、 2 、 4 、 8 分 频 后 得 到 的 。 A C L K 可 由 软件 选 作 各 个 外 围 模 块 的 时 钟 信 号 ， 一 般 用 于 低 速 外 设； 系 统 主 时 钟 M C L K 可 由 软 件 选 择 来 自 L F X T I C L K 、 XT 2 C L K 、 D C O C L K 三 者 之 一 ， 然 后 经 1 、 2 、 4 、 8 分 频 得 到。 M C L K 主 要 用 于 C P U 和 系 统 。 子 系 统 时 钟 S M C L K 可由 软 件 选 择 来 自 L F X T I C L K 和 D C O C L K ， 或 者 XT 2 C L K 和 D C O C L K ，
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