- Зачем изменять тактовую частоту микроконтроллеров?
- Как влияет выбор нескольких частот на производительность?
- Что выбрать: низкая или высокая частота?
- Техника переключения тактовой частоты
- Выбор режимов работы управления часами
- Выполнение программного обеспечения из энергонезависимой памяти или RAM
- Использование внутреннего генератора
- Заключение
Перед разработчиками всегда стоит задача обеспечить высокий уровень функциональности и производительности при одновременном максимальном сроке службы батареи. Кроме того, когда речь идет о электронных продуктах, наиболее важной характеристикой является расход заряда батареи. Для увеличения времени работы устройства должно быть как можно меньше. Управление питанием очень важно для портативных устройств и приложений с батарейным питанием. Различия в потреблении микроампер могут привести к месяцам или годам эксплуатации, что может увеличить или уменьшить популярность и марку продукта на рынке. Увеличение количества продуктов требует более эффективной оптимизации использования батарей. В настоящее время пользователям требуется более длительный резервный аккумулятор при компактном размере продуктов, поэтому производители сосредотачиваются на меньшем размере аккумулятора при сверхдлительном сроке службы, что является сомнительной задачей. Но,Разработчики придумали технологии энергосбережения после изучения множества факторов и критических параметров, влияющих на время автономной работы.
На использование батареи влияет множество параметров, таких как используемый микроконтроллер, рабочее напряжение, потребление тока, температура окружающей среды, условия окружающей среды, используемые периферийные устройства, циклы зарядки-подзарядки и т. Д. С появлением на рынке умных продуктов это очень важно чтобы сначала сосредоточиться на используемом MCU, чтобы оптимизировать время автономной работы. MCU становится критически важной частью, когда дело доходит до экономии энергии в продуктах небольшого размера. Поэтому рекомендуется сначала начать с MCU. Теперь MCU поддерживает различные методы энергосбережения. Чтобы узнать больше о минимизации энергопотребления микроконтроллеров (MCU), обратитесь к предыдущей статье. В этой статье основное внимание уделяется одному из важных параметров снижения энергопотребления микроконтроллера, а именно изменению тактовой частоты.о чем следует позаботиться при использовании MCU для приложений с низким энергопотреблением.
Зачем изменять тактовую частоту микроконтроллеров?
Из многих параметров, упомянутых выше, выбор тактовой частоты играет очень важную роль в экономии энергии. Исследование показывает, что неправильный выбор рабочей частоты микроконтроллеров может привести к значительному проценту (%) потери заряда батареи. Чтобы избежать этой потери, разработчикам необходимо позаботиться о выборе соответствующей частоты для работы микроконтроллера. Теперь нет необходимости, чтобы выбор частоты мог быть сделан изначально при настройке микроконтроллера, хотя его можно также выбрать между программированием. Есть много микроконтроллеров, которые имеют битовый выбор для выбора желаемой рабочей частоты. Также микроконтроллер может работать на нескольких частотах, поэтому у разработчиков есть возможность выбрать подходящую частоту в зависимости от приложения.
Как влияет выбор нескольких частот на производительность?
Несомненно, выбор различных частот повлияет на производительность микроконтроллера. Что касается микроконтроллера, хорошо известно, что частота и производительность пропорциональны. Это означает, что чем выше частота, тем меньше время выполнения кода и, следовательно, выше скорость выполнения программы. Итак, теперь очень ясно, что если изменить частоту, то изменится и производительность. Но совсем не обязательно, что разработчикам нужно придерживаться одной частоты только ради более высокой производительности микроконтроллера.
Что выбрать: низкая или высокая частота?
Это не всегда тот случай, когда микроконтроллер должен обеспечивать высокую производительность, есть несколько приложений, которые требуют умеренной производительности микроконтроллера, в этих типах приложений разработчики могут уменьшить рабочую частоту с ГГц до МГц и даже до минимальной частоты, необходимой для запустить микроконтроллер. Хотя в некоторых случаях требуется оптимальная производительность, а также критично время выполнения, например, при управлении внешними флэш-АЦП без буфера FIFO, или при обработке видео и многих других приложениях, в этих областях разработчики могут использовать оптимальную частоту микроконтроллера. Даже при использовании в такой среде разработчики могут грамотно кодировать, чтобы уменьшить длину кода, выбрав правильную инструкцию.
Для например: If «для» цикл принимает больше команд, и можно использовать несколько строк инструкций, который использует меньше памяти, чтобы сделать задачу без использования для цикла, то разработчики могут идти несколько строк инструкций, избегая использование «для» петли.
Выбор подходящей частоты для микроконтроллера зависит от требований задачи. Более высокая частота означает более высокое энергопотребление, но также и большую вычислительную мощность. Таким образом, выбор частоты - это компромисс между потребляемой мощностью и требуемой вычислительной мощностью.
Также основным преимуществом работы на низких частотах является низкий ток питания, помимо более низких RFI (радиочастотных помех).
Ток питания (I) = ток покоя (I q) + (K x частота)
Второй член является преобладающим. Энергия радиочастотных помех микроконтроллера настолько мала, что ее очень легко фильтровать.
Поэтому, если приложению требуется высокая скорость, не беспокойтесь о быстром запуске. Но если потребление энергии вызывает беспокойство, работайте настолько медленнее, насколько позволяет приложение.
Техника переключения тактовой частоты
Блок PLL (Phases Lock Loop) всегда присутствует в высокопроизводительном MCU, работающем на высокой скорости. Входная частота ФАПЧ повышает к более высокой частоте, например, от 8 МГц до 32 МГц. Разработчик может выбрать соответствующую рабочую частоту для приложения. Некоторым приложениям не нужно работать на высокой скорости, в этом случае разработчикам необходимо поддерживать тактовую частоту MCU как можно ниже для выполнения задачи. Однако в платформе с фиксированной частотой, такой как недорогой 8-битный микроконтроллер, не содержащий блока ФАПЧ, необходимо улучшить код команды, чтобы уменьшить энергию обработки.. Кроме того, MCU, который содержит блок PLL, не может использовать преимущества метода переключения частоты, который позволяет MCU работать на высокой частоте в период обработки данных, а затем возвращаться к низкочастотной работе в течение периода передачи данных.
Рисунок поясняет использование блока ФАПЧ в технике переключения частоты.
Выбор режимов работы управления часами
Некоторые из высокоскоростных микроконтроллеров поддерживают различные режимы управления тактовой частотой, такие как режим остановки, режимы управления питанием (PMM) и режим ожидания. Между этими режимами можно переключаться, что позволяет пользователю оптимизировать скорость устройства при одновременном потреблении энергии.
Выбираемый источник синхронизации
Кварцевый генератор является значительным потребителем энергии для любого микроконтроллера, особенно при работе с низким энергопотреблением. Кольцевой генератор, используемый для быстрого запуска из режима остановки, также может использоваться для обеспечения источника тактовой частоты приблизительно от 3 до 4 МГц во время нормальной работы. Хотя кварцевый генератор все еще требуется при включении питания, после того, как кристалл стабилизируется, работа устройства может быть переключена на кольцевой генератор, что обеспечивает экономию энергии до 25 мА.
Контроль тактовой частоты
Рабочая частота микроконтроллера является самым важным фактором при определении потребляемой мощности. Семейство микроконтроллеров High-Speed Microcontroller поддерживает различные режимы управления тактовой частотой, которые позволяют экономить электроэнергию за счет замедления или остановки внутренних часов. Эти режимы позволяют разработчику системы максимизировать энергосбережение с минимальным влиянием на производительность.
Выполнение программного обеспечения из энергонезависимой памяти или RAM
При оценке текущего потребления разработчики должны тщательно учитывать, выполняется ли программное обеспечение из энергонезависимой памяти или оперативной памяти. Выполнение из RAM может предложить более низкие спецификации активного тока; однако многие приложения недостаточно малы для выполнения только из ОЗУ и требуют, чтобы программы выполнялись из энергонезависимой памяти.
Часы на шине включены или отключены
Большинству приложений микроконтроллера требуется доступ к памяти и периферийным устройствам во время выполнения программного обеспечения. Для этого необходимо включить синхронизацию шины, и это необходимо учитывать при активных оценках тока.
Использование внутреннего генератора
Использование внутренних генераторов и отказ от внешних генераторов может значительно сэкономить энергию. Поскольку внешние генераторы потребляют больше тока, в результате увеличивается потребление энергии. Также не является жесткой границей, что следует использовать внутренний генератор, так как внешние генераторы рекомендуется использовать, когда приложения требуют большей тактовой частоты.
Заключение
Создание продукта с низким энергопотреблением начинается с выбора микроконтроллера, и это значительно затрудняет, когда на рынке доступны различные варианты. Изменение частоты может иметь большое влияние на потребление энергии, а также дать хороший результат по энергопотреблению. Дополнительное преимущество изменения частоты состоит в том, что нет дополнительных затрат на оборудование и его можно легко реализовать в программном обеспечении. Этот метод можно использовать для повышения энергоэффективности недорогого микроконтроллера. Более того, экономия энергии зависит от разницы между рабочими частотами, временем обработки данных и архитектурой MCU. При использовании метода переключения частоты может быть достигнута экономия энергии до 66,9% по сравнению с нормальной работой.
В конце концов, для разработчиков задача повышения функциональности системы и повышения производительности при одновременном увеличении времени автономной работы продуктов - серьезная проблема. Для эффективной разработки продуктов, обеспечивающих максимально долгое время автономной работы - или даже работающих без аккумулятора, - требуется глубокое понимание как системных требований, так и текущих спецификаций микроконтроллера. Это намного сложнее, чем просто оценить, сколько тока потребляет MCU в активном состоянии. В зависимости от разрабатываемого приложения изменение частоты, ток в режиме ожидания и периферийный ток могут иметь более значительное влияние на срок службы батареи, чем мощность MCU.
Эта статья была создана, чтобы помочь разработчикам понять, как микроконтроллеры потребляют мощность с точки зрения частоты, и могут быть оптимизированы путем изменения частоты.