Kā modificēt pulksteņa frekvenci, lai samazinātu mikrokontrollera enerģijas patēriņu

Izstrādātājiem vienmēr ir grūti nodrošināt augstu funkcionalitāti un veiktspēju, vienlaikus palielinot akumulatora darbības laiku. Arī attiecībā uz elektroniskajiem izstrādājumiem vissvarīgākā iezīme ir akumulatora patēriņš. Lai palielinātu ierīces darbības laiku, vajadzētu būt pēc iespējas mazākam. Enerģijas pārvaldība ir ļoti kritiska pārnēsājamās un ar akumulatoriem darbināmās lietojumprogrammās. Mikroamperu patēriņa atšķirības var izraisīt darbības mēnešus vai gadus, kas var palielināt vai samazināt produkta popularitāti un zīmolu tirgū. Produktu pieaugums prasa efektīvāku akumulatora lietošanas optimizāciju. Mūsdienās lietotāji pieprasa ilgāku akumulatora dublēšanu ar kompaktu izmēru produktiem, tāpēc ražotāji koncentrējas uz mazāku akumulatora izmēru ar īpaši ilgu akumulatora darbības laiku, kas ir apšaubāms uzdevums. Bet,izstrādātāji ir izgudrojuši enerģijas taupīšanas tehnoloģijas pēc tam, kad ir izgājuši daudzus faktorus un kritiskos parametrus, kas ietekmē akumulatora darbības laiku.

Ir daudz parametru, kas ietekmē akumulatora lietošanu, piemēram, izmantotais mikrokontrolleris, darba spriegums, strāvas patēriņš, apkārtējā temperatūra, vides stāvoklis, izmantotās perifērijas ierīces, uzlādes un uzlādes cikli utt. Ar viedo produktu tendenci tirgū ir ļoti svarīgi vispirms koncentrēties uz izmantoto MCU, lai optimizētu akumulatora darbības laiku. MCU kļūst par kritisku daļu enerģijas taupīšanā maza izmēra izstrādājumos. Tāpēc ieteicams vispirms sākt ar MCU. Tagad MCU nāk ar dažādām enerģijas taupīšanas metodēm. Lai uzzinātu vairāk par enerģijas patēriņa samazināšanu mikrokontrolleros (MCU), skatiet iepriekšējo rakstu. Šis raksts galvenokārt koncentrējas uz vienu no svarīgiem parametriem, lai samazinātu enerģijas patēriņu mikrokontrollerī, tas ir, modificējot pulksteņa frekvencikas jārūpējas, lietojot MCU mazjaudas lietojumprogrammām.

Kāpēc mainīt pulksteņa frekvenci mikrokontrolleros?

No daudziem iepriekš minētajiem parametriem enerģijas taupīšanā pulksteņa frekvences izvēlei ir ļoti liela nozīme. Pētījums parāda, ka nepareiza mikrokontrolleru darbības frekvences izvēle var izraisīt ievērojamu akumulatora enerģijas zudumu procentos (%). Lai izvairītos no šī zaudējuma, izstrādātājiem jārūpējas par atbilstošu frekvences izvēli, lai darbinātu mikrokontrolleru. Tagad nav nepieciešams, lai frekvenci varētu izvēlēties sākotnēji, vienlaikus uzstādot mikrokontrolleru, turpretim to var izvēlēties arī starp programmēšanu. Ir daudz mikrokontrolleru, kas nāk ar bitu izvēli, lai izvēlētos vēlamo darbības frekvenci. Arī mikrokontrolleris var darboties vairākās frekvencēs, tāpēc izstrādātājiem ir iespēja izvēlēties piemērotu frekvenci atkarībā no lietojumprogrammas.

Kāda ir vairāku frekvenču izvēles ietekme uz veiktspēju?

Nav šaubu, ka dažādu frekvenču izvēle ietekmēs mikrokontrollera darbību. Tāpat kā attiecībā uz mikrokontrolleru, ir ļoti labi zināms, ka frekvence un veiktspēja ir proporcionālas. Tas nozīmē, ka lielāka frekvence būs mazāka koda izpildes laiks un līdz ar to lielāks programmas izpildes ātrums. Tāpēc tagad ir ļoti skaidrs, ka, mainot frekvenci, mainīsies arī veiktspēja. Bet tas nav nepieciešams, ka izstrādātājiem ir jāpieliek viena frekvence tikai tāpēc, lai nodrošinātu augstāku mikrokontrolleru veiktspēju.

Zema vai augsta frekvence, kuru izvēlēties?

Ne vienmēr mikrokontrollerim ir jānodrošina augsta veiktspēja, ir vairākas lietojumprogrammas, kurām nepieciešama mērena mikrokontrollera veiktspēja. Šāda veida lietojumprogrammās izstrādātāji var samazināt darbības frekvenci no GHz līdz MHz un pat līdz minimālajai frekvencei, kas nepieciešama, lai palaist mikrokontrolleru. Lai gan dažos gadījumos ir nepieciešama optimālā veiktspēja, un arī izpildes laiks ir kritisks, piemēram, braucot ar ārējiem zibspuldzes ADC bez FIFO bufera, vai video apstrādē un daudzās citās lietojumprogrammās, izstrādātāji šajās jomās var izmantot optimālo mikrokontrollera frekvenci. Pat izmantojot šāda veida vidi, izstrādātāji var gudri kodēt, lai samazinātu koda garumu, izvēloties pareizo instrukciju.

Attiecībā uz, piemēram: ja "par" cilpa veic vairāk instrukcijas un viens var izmantot vairākas līnijas, instrukcijas, kas izmanto mazāk atmiņas, lai veiktu uzdevumu, neizmantojot uz cilpas, tad izstrādātāji var doties ar vairākām līnijām instrukciju, izvairoties lietošanu "par" cilpas.

Mikrokontrolleram piemērotas frekvences izvēle ir atkarīga no uzdevuma prasībām. Augstāka frekvence nozīmē lielāku enerģijas patēriņu, bet arī lielāku skaitļošanas jaudu. Tātad būtībā frekvences izvēle ir kompromiss starp enerģijas patēriņu un nepieciešamo aprēķina jaudu.

Arī galvenā zemas frekvences priekšrocība ir zema barošanas strāva, turklāt zemāka RFI (radiofrekvenču traucējumi).

Barošanas strāva (I) = mierīga strāva (I _q) + (K x frekvence)

Pārsvarā ir otrais termins. Mikrokontrollera RFI enerģija ir tik maza, ka to ir ļoti viegli filtrēt.

Tāpēc, ja lietojumprogrammai ir nepieciešams ātrs ātrums, neuztraucieties par ātru skriešanu. Bet, ja ir bažas par enerģijas patēriņu, palaidiet to tik lēni, cik atļauj lietojumprogramma.

Pulksteņa frekvences pārslēgšanas tehnika

PLL (Phases Lock Loop) vienība vienmēr pastāv augstas veiktspējas MCU, kas darbojas lielā ātrumā. PLL palielina ieejas frekvence uz augstāku frekvenču, piemēram, no 8 MHz līdz 32 MHz. Izstrādātājs var izvēlēties lietojumprogrammai atbilstošu darbības frekvenci. Dažām lietojumprogrammām nav jādarbojas lielā ātrumā, tādā gadījumā izstrādātājiem jāuztur pēc iespējas zemāks MCU pulksteņa frekvence, lai izpildītu uzdevumu. Tomēr fiksētas frekvences platformā, piemēram, zemu izmaksu 8 bitu MCU, kas nesatur PLL bloku, jāuzlabo instrukciju kods, lai samazinātu apstrādes enerģiju. Arī MCU, kas satur PLL vienību, nevar izmantot frekvences pārslēgšanas tehnikas priekšrocības, kas ļauj MCU datu apstrādes periodā darboties augstā frekvencē un pēc tam atgriezties pie zemfrekvences darbības datu pārraides periodā.

Attēlā ir izskaidrota PLL vienības izmantošana frekvenču pārslēgšanas tehnikā.

Pulksteņa pārvaldības darbības režīmu izvēle

Daži no ātrgaitas mikrokontrolleriem atbalsta dažādus pulksteņa pārvaldības režīmus, piemēram, apturēšanas režīmu, enerģijas pārvaldības režīmus (PMM) un gaidīšanas režīmu. Ir iespējams pārslēgties starp šiem režīmiem, ļaujot lietotājam optimizēt ierīces ātrumu enerģijas patēriņa laikā.

Atlasāms pulksteņa avots

Kristāla oscilators ir liels enerģijas patērētājs jebkuram mikrokontrollerim, it īpaši mazjaudas darbības laikā. Gredzena oscilatoru, ko izmanto ātrai iedarbināšanai no apturēšanas režīma, var izmantot arī, lai nodrošinātu aptuveni 3 līdz 4 MHz pulksteņa avotu normālas darbības laikā. Lai gan ieslēgšanas laikā joprojām ir nepieciešams kristāla oscilators, pēc kristāla stabilizēšanās ierīces darbību var pārslēgt uz gredzena oscilatoru, tādējādi ietaupot pat 25 mA enerģijas.

Pulksteņa ātruma kontrole

Mikrokontrollera darbības frekvence ir vienīgais lielākais faktors, kas nosaka enerģijas patēriņu. Ātrgaitas mikrokontrolleru mikrokontrolleru saime atbalsta dažādus pulksteņa ātruma pārvaldības režīmus, kas ekonomē enerģiju, palēninot vai apturot iekšējo pulksteni. Šie režīmi ļauj sistēmas izstrādātājam maksimāli palielināt enerģijas ietaupījumu, minimāli ietekmējot veiktspēju.

Programmatūras izpilde no nemainīgas atmiņas vai RAM

Izstrādātājiem, novērtējot pašreizējo patēriņu, rūpīgi jāapsver, vai programmatūra tiek izpildīta no nemainīgām atmiņām vai RAM. Izpildīšana no RAM var piedāvāt zemākas aktīvās strāvas specifikācijas; tomēr daudzas lietojumprogrammas nav pietiekami mazas, lai tās varētu izpildīt tikai no RAM, un tām ir nepieciešams, lai programmas tiktu izpildītas no gaistošās atmiņas.

Autobusa pulksteņi ir iespējoti vai atspējoti

Programmatūras izpildes laikā lielākajai daļai mikrokontrolleru lietojumprogrammu nepieciešama piekļuve atmiņām un perifērijas ierīcēm. Tam ir jāiespējo autobusu pulksteņi, un tas jāņem vērā aktīvās pašreizējās aplēsēs.

Izmantojot iekšējo oscilatoru

Izmantojot iekšējos oscilatorus un izvairoties no ārējiem oscilatoriem, var ietaupīt ievērojamu enerģiju. Kad ārējie oscilatori piesaista vairāk strāvas, kā rezultātā tiek patērēts vairāk enerģijas. Tāpat nav grūti noteikt, ka jāizmanto iekšējais oscilators, jo ārējos oscilatorus ieteicams lietot, ja lietojumprogrammām nepieciešams lielāks pulksteņa frekvence.

Secinājums

Zema enerģijas patēriņa produkta izgatavošana sākas ar MCU izvēli, un tas ir ievērojami grūti, ja tirgū ir pieejamas dažādas iespējas. Frekvences modifikācijai var būt liela ietekme uz enerģijas patēriņu, kā arī tas dod labu enerģijas patēriņa rezultātu. Frekvences modificēšanas papildu priekšrocība ir tā, ka nav papildu aparatūras izmaksu, un to var viegli ieviest programmatūrā. Šo paņēmienu var izmantot, lai uzlabotu zemu izmaksu MCU energoefektivitāti. Turklāt enerģijas ietaupījums ir atkarīgs no atšķirības starp darbības frekvencēm, datu apstrādes laiku un MCU arhitektūru. Izmantojot frekvences pārslēgšanas tehniku, salīdzinājumā ar parasto darbību var panākt enerģijas ietaupījumu līdz 66,9%.

Dienas beigās izstrādātājiem būtisks izaicinājums ir apmierināt paaugstinātas sistēmas funkcionalitātes un veiktspējas mērķu vajadzības, vienlaikus palielinot produktu akumulatora darbības laiku. Lai efektīvi izstrādātu produktus, kas nodrošina pēc iespējas ilgāku akumulatora darbības laiku vai pat darbojas bez akumulatora, ir nepieciešama dziļa izpratne gan par sistēmas prasībām, gan par mikrokontrollera pašreizējām specifikācijām. Tas ir daudz sarežģītāk nekā vienkārši novērtēt, cik daudz strāvas MCU patērē, kad tas ir aktīvs. Atkarībā no izstrādājamās lietojumprogrammas, frekvences modifikācijai, gaidstāves strāvai, perifērijas strāvai var būt nozīmīgāka ietekme uz akumulatora darbības laiku nekā MCU jaudai.

Šis raksts tika izveidots, lai palīdzētu izstrādātājiem saprast, kā MCU patērē enerģiju frekvences ziņā, un tos var optimizēt, mainot frekvenci.