- Чому змінювати тактову частоту в мікроконтролерах?
- Який ефект від вибору декількох частот впливає на продуктивність?
- Яку вибрати низьку або високу частоту?
- Техніка перемикання тактової частоти
- Вибір режимів роботи годинника
- Виконання програмного забезпечення з енергонезалежної пам'яті або оперативної пам'яті
- Використання внутрішнього генератора
- Висновок
Розробники завжди мають завдання забезпечити високий рівень функціональності та продуктивності, одночасно збільшуючи час автономної роботи. Крім того, що стосується електронних продуктів, найважливішою особливістю є споживання батареї. Для збільшення часу роботи пристрою повинно бути якомога менше. Управління живленням є надзвичайно важливим у портативних додатках, що працюють від акумуляторів. Відмінності споживання мікроампер можуть призвести до місяців або років експлуатаційного терміну, що може збільшити або зменшити популярність та торгову марку товару на ринку. Збільшення продукції вимагає більш ефективної оптимізації використання батареї. В даний час користувачі вимагають більш тривалого резервного копіювання акумулятора при компактному розмірі виробів, тому виробники зосереджуються на менших розмірах батареї з надзвичайно тривалим часом автономної роботи - це сумнівне завдання. Але,розробники придумали енергозберігаючі технології після перебору багатьох факторів та критичних параметрів, що впливають на час автономної роботи.
Існує багато параметрів, які впливають на використання акумулятора, таких як використовуваний мікроконтролер, робоча напруга, споживання струму, температура навколишнього середовища, стан навколишнього середовища, використовувана периферія, цикли заряджання та заряджання тощо. спочатку зосередитися на використовуваному мікроконтролері, щоб оптимізувати час автономної роботи Мікроконтроллер стає важливою частиною, коли йдеться про економію енергії в невеликих розмірах. Тому рекомендується спочатку розпочати з MCU. Зараз MCU постачається з різними методами енергозбереження. Щоб дізнатися більше про мінімізацію споживання енергії в мікроконтролерах (MCU), зверніться до попередньої статті. У цій статті основна увага приділяється одному з важливих параметрів зменшення енергоспоживання мікроконтролера, тобто зміні тактової частотипро що слід подбати, використовуючи мікроконтроллер для програм з низьким енергоспоживанням.
Чому змінювати тактову частоту в мікроконтролерах?
З багатьох вищезазначених параметрів вибір тактової частоти відіграє дуже важливу роль в економії енергії. Дослідження показує, що неправильний вибір робочої частоти мікроконтролерів може призвести до значного відсотка (%) втрати заряду акумулятора. Щоб уникнути цієї втрати, розробники повинні подбати про відповідний вибір частоти для запуску мікроконтролера. Зараз необов’язково, що вибір частоти може бути зроблений спочатку під час налаштування мікроконтролера, тоді як його також можна вибрати між програмуванням. Є багато мікроконтролерів, які постачаються з бітовим вибором для вибору бажаної робочої частоти. Також мікроконтролер може працювати на декількох частотах, тому розробники мають можливість вибрати відповідну частоту залежно від програми.
Який ефект від вибору декількох частот впливає на продуктивність?
Немає сумнівів, що вибір різних частот вплине на продуктивність мікроконтролера. Що стосується мікроконтролера, то дуже добре відомо, що частота та продуктивність пропорційні. Це означає, що чим більша частота, тим менше буде часу виконання коду і, отже, більша швидкість виконання програми. Отже, зараз дуже ясно, що якщо частоту змінити, продуктивність також зміниться. Але зовсім не обов'язково, що розробникам потрібно дотримуватися однієї частоти лише задля більш високої продуктивності мікроконтролера.
Яку вибрати низьку або високу частоту?
Це не завжди випадок, коли мікроконтролер повинен забезпечувати високу продуктивність, існує кілька програм, які потребують помірної продуктивності мікроконтролера; у цих типах додатків розробники можуть зменшити робочу частоту з ГГц до МГц і навіть до мінімальної частоти, необхідної для запустити мікроконтролер. Хоча, в деяких випадках необхідна оптимальна продуктивність, а також час виконання є критичним, наприклад, під час керування зовнішніми спалахами АЦП без буфера FIFO, або при обробці відео та багатьох інших додатках, у цих областях розробники можуть використовувати оптимальну частоту мікроконтролера. Навіть використовуючи подібне середовище, розробники можуть розумно кодувати, щоб зменшити довжину коду, вибравши правильну інструкцію.
Наприклад, якщо цикл "for" приймає більше інструкцій, і можна використовувати кілька рядків інструкцій, які використовують менше пам'яті для виконання завдання без використання циклу for , тоді розробники можуть використовувати кілька рядків інструкцій, уникаючи використання циклу "for" .
Вибір відповідної частоти для мікроконтролера залежить від вимог завдання. Більш висока частота означає більше споживання енергії, але також більше обчислювальної потужності. Отже, по суті вибір частоти - це компроміс між споживаною енергією та необхідною обчислювальною потужністю.
Також основною перевагою роботи на низьких частотах є низький струм живлення, крім нижчих RFI (радіочастотних перешкод).
Струм живлення (I) = струм спокою (I q) + (K x Частота)
Переважає другий термін. Енергія RFI мікроконтролера настільки мала, що його дуже легко фільтрувати.
Тож якщо додатку потрібна швидка швидкість, не турбуйтеся про швидку роботу. Але якщо енергоспоживання викликає занепокоєння, працюйте так повільно, наскільки це дозволяє програма.
Техніка перемикання тактової частоти
Блок PLL (фаза блокування фаз) завжди існує у високоефективному мікроконтролері, що працює на високій швидкості. Вхідна частота ФАПЧ підвищує до більш високій частоті, наприклад, від 8 МГц до 32 МГц. Розробник може вибрати відповідну робочу частоту для програми. Деякі програми не повинні працювати з високою швидкістю, у цьому випадку розробникам потрібно тримати тактову частоту мікроконтролера якомога нижчою, щоб запустити завдання. Однак на платформі з фіксованою частотою, такій як 8-розрядна MCU, яка не містить модуля PLL, потрібно вдосконалити код інструкцій, щоб зменшити енергію обробки. Крім того, MCU, що містить блок PLL, не може використовувати переваги техніки перемикання частоти, яка дозволяє MCU працювати на високій частоті в період обробки даних, а потім повернутися до низькочастотної роботи протягом періоду передачі даних.
На рисунку пояснюється використання блоку ФАПЧ в техніці перемикання частоти.
Вибір режимів роботи годинника
Деякі високошвидкісні мікроконтролери підтримують різні режими управління тактовою частотою, такі як режим зупинки, режими управління живленням (PMM) та режим очікування. Існує можливість перемикання між цими режимами, що дозволяє користувачеві оптимізувати швидкість пристрою при енергоспоживанні.
Вибір джерела годинника
Кристалічний генератор є великим споживачем енергії на будь-якому мікроконтролері, особливо під час роботи з низьким енергоспоживанням. Кільцевий генератор, який використовується для швидкого запуску з режиму зупинки, також може бути використаний для забезпечення джерела тактової частоти приблизно від 3 до 4 МГц під час нормальної роботи. Незважаючи на те, що кристалічний генератор все ще необхідний при включенні, після стабілізації кристала роботу пристрою можна переключити на кільцевий генератор, забезпечуючи економію енергії до 25 мА.
Контроль тактової частоти
Робоча частота мікроконтролера є найбільшим фактором, що визначає споживання енергії. Сімейство мікроконтролерів високошвидкісних мікроконтролерів підтримує різні режими управління тактовою частотою, які забезпечують економію енергії шляхом уповільнення або зупинки внутрішнього годинника. Ці режими дозволяють розробнику системи максимізувати економію енергії з мінімальним впливом на продуктивність.
Виконання програмного забезпечення з енергонезалежної пам'яті або оперативної пам'яті
Розробники повинні ретельно продумати, чи виконується програмне забезпечення з енергонезалежної пам'яті або оперативної пам'яті, для оцінки поточного споживання. Виконання з оперативної пам'яті може запропонувати більш низькі характеристики активного струму; однак багато додатків недостатньо малі для виконання лише з оперативної пам'яті і вимагають виконання програм з енергонезалежної пам'яті.
Годинники шини ввімкнені або вимкнені
Більшість програм мікроконтролера вимагають доступу до пам'яті та периферії під час виконання програмного забезпечення. Для цього потрібно ввімкнути годинник шини, і це повинно враховуватися в активних поточних оцінках.
Використання внутрішнього генератора
Використання внутрішніх генераторів та уникання зовнішніх генераторів може заощадити значну енергію. Оскільки зовнішні генератори витрачають більше струму, що призводить до більшого використання енергії. Також не є твердим, що слід використовувати внутрішній генератор, оскільки зовнішні генератори доцільно використовувати, коли додатки потребують більшої тактової частоти.
Висновок
Створення продукту з низькою потужністю починається з вибору мікроконтролера, і це значно важко, коли на ринку доступні різноманітні варіанти. Модифікація частоти може мати великий вплив на споживання енергії, а також дати хороший результат споживання енергії. Додатковою перевагою модифікації частоти є відсутність додаткових апаратних витрат, і її можна легко впровадити в програмне забезпечення. Ця методика може бути використана для підвищення енергоефективності недорогого MCU. Більше того, кількість енергозбереження залежить від різниці між робочими частотами, часом обробки даних та архітектурою MCU. Економія енергії до 66,9% може бути досягнута за допомогою техніки перемикання частоти порівняно із звичайною роботою.
Зрештою, для розробників важливим завданням є задоволення потреб у збільшенні функціональності системи та цілей продуктивності, одночасно збільшуючи час автономної роботи продуктів. Для ефективної розробки продуктів, що забезпечують максимально тривалий час автономної роботи - або навіть працюють зовсім без батареї - потрібно глибоке розуміння як системних вимог, так і поточних специфікацій мікроконтролера. Це набагато складніше, ніж просто оцінити, скільки струму витрачає MCU, коли він активний. Залежно від програми, що розробляється, модифікація частоти, струм в режимі очікування, периферійний струм можуть мати більш значний вплив на час автономної роботи, ніж потужність MCU.
Ця стаття була створена, щоб допомогти розробникам зрозуміти, як мікроконтролери споживають енергію з точки зору частоти та можуть бути оптимізовані за допомогою модифікації частоти.