Πώς να τροποποιήσετε τη συχνότητα ρολογιού για να μειώσετε την κατανάλωση ισχύος του μικροελεγκτή

Οι προγραμματιστές έχουν πάντα πρόκληση να προσφέρουν υψηλά επίπεδα λειτουργικότητας και απόδοσης, ενώ ταυτόχρονα μεγιστοποιούν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Επίσης, όταν πρόκειται για ηλεκτρονικά προϊόντα, το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η κατανάλωση μπαταρίας. Θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν λιγότερο για να αυξηθεί ο χρόνος λειτουργίας της συσκευής. Η διαχείριση ισχύος είναι πολύ κρίσιμη σε φορητές και μπαταρίες εφαρμογές. Οι διαφορές στην κατανάλωση μικροαμπέρ μπορεί να οδηγήσουν σε μήνες ή χρόνια λειτουργίας, γεγονός που μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει τη δημοτικότητα και την επωνυμία του προϊόντος στην αγορά. Η αύξηση των προϊόντων απαιτεί αποτελεσματικότερη βελτιστοποίηση της χρήσης της μπαταρίας. Σήμερα, οι χρήστες απαιτούν μεγαλύτερο αντίγραφο ασφαλείας της μπαταρίας με συμπαγές μέγεθος προϊόντων, έτσι οι κατασκευαστές επικεντρώνονται σε μικρότερο μέγεθος μπαταρίας με πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, κάτι που είναι αμφισβητήσιμο. Αλλά,Οι προγραμματιστές έχουν καταλήξει σε Τεχνολογίες Εξοικονόμησης Ενέργειας μετά από πολλούς παράγοντες και κρίσιμες παραμέτρους που επηρεάζουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Υπάρχουν πολλές παράμετροι που επηρεάζουν τη χρήση της μπαταρίας, όπως ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιείται, η τάση λειτουργίας, η τρέχουσα κατανάλωση, η θερμοκρασία περιβάλλοντος, η περιβαλλοντική κατάσταση, τα περιφερειακά που χρησιμοποιούνται, οι κύκλοι επαναφόρτισης κ.λπ. Με την τάση των έξυπνων προϊόντων που κυκλοφορούν στην αγορά, είναι πολύ σημαντικό να εστιάσετε πρώτα στο MCU που χρησιμοποιείται, για να βελτιστοποιήσετε τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Το MCU γίνεται κρίσιμο μέρος όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας στα προϊόντα μικρού μεγέθους. Συνιστάται λοιπόν να ξεκινήσετε πρώτα με το MCU. Τώρα, το MCU έρχεται με τις διαφορετικές τεχνικές εξοικονόμησης ενέργειας. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ισχύος σε μικροελεγκτές (MCU), ανατρέξτε στο προηγούμενο άρθρο. Αυτό το άρθρο επικεντρώνεται κατά κύριο λόγο σε μια από τις σημαντικές παραμέτρους για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος στο μικροελεγκτή, που τροποποιεί τη συχνότητα του ρολογιούτο οποίο πρέπει να προσέχετε όταν χρησιμοποιείτε MCU για εφαρμογές χαμηλής ισχύος.

Γιατί να τροποποιήσετε τη συχνότητα ρολογιού σε μικροελεγκτές;

Από πολλές παραμέτρους που αναφέρθηκαν παραπάνω, η επιλογή της συχνότητας ρολογιού παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην εξοικονόμηση ενέργειας. Η μελέτη δείχνει ότι η λανθασμένη επιλογή της συχνότητας λειτουργίας των μικροελεγκτών μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική ποσοστιαία απώλεια ισχύος μπαταρίας (%). Προκειμένου να αποφευχθεί αυτή η απώλεια, οι προγραμματιστές πρέπει να φροντίσουν την κατάλληλη επιλογή συχνότητας για να εκτελέσουν τον μικροελεγκτή. Τώρα, δεν είναι απαραίτητο η επιλογή συχνότητας να μπορεί να γίνει αρχικά, κατά τη ρύθμιση του μικροελεγκτή, ενώ μπορεί να επιλεγεί και μεταξύ του προγραμματισμού. Υπάρχουν πολλοί μικροελεγκτές που συνοδεύονται από επιλογή bit για να επιλέξετε την επιθυμητή συχνότητα λειτουργίας. Επίσης, ο μικροελεγκτής μπορεί να εκτελείται σε πολλές συχνότητες, έτσι οι προγραμματιστές έχουν την επιλογή να επιλέξουν την κατάλληλη συχνότητα ανάλογα με την εφαρμογή.

Ποια είναι η επίδραση της επιλογής πολλαπλών συχνοτήτων στην απόδοση;

Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η επιλογή διαφόρων συχνοτήτων θα επηρεάσει την απόδοση του μικροελεγκτή. Όπως και από την άποψη του μικροελεγκτή, είναι πολύ γνωστό ότι η συχνότητα και η απόδοση είναι ανάλογες. Αυτό σημαίνει ότι, όσο μεγαλύτερη η συχνότητα θα έχει μικρότερο χρόνο εκτέλεσης κώδικα και έτσι μεγαλύτερη ταχύτητα εκτέλεσης προγράμματος. Τώρα, είναι πολύ σαφές ότι εάν αλλάξει η συχνότητα, τότε η απόδοση θα αλλάξει επίσης. Αλλά δεν είναι απαραίτητο οι προγραμματιστές να πρέπει να παραμείνουν σε μια συχνότητα μόνο για λόγους υψηλότερης απόδοσης του μικροελεγκτή.

Χαμηλή ή υψηλή συχνότητα, ποια να επιλέξετε;

Δεν συμβαίνει πάντα όταν ο μικροελεγκτής πρέπει να προσφέρει υψηλή απόδοση, υπάρχουν αρκετές εφαρμογές που χρειάζονται μέτρια απόδοση του μικροελεγκτή, σε αυτόν τον τύπο εφαρμογών οι προγραμματιστές μπορούν να μειώσουν τη συχνότητα λειτουργίας από GHz σε MHz και ακόμη και στην ελάχιστη συχνότητα που απαιτείται για εκτέλεση μικροελεγκτή. Αν και, σε ορισμένες περιπτώσεις, απαιτείται η βέλτιστη απόδοση και επίσης ο χρόνος εκτέλεσης είναι κρίσιμος, όπως κατά την οδήγηση εξωτερικών ADC flash χωρίς buffer FIFO, ή σε επεξεργασία βίντεο και πολλές άλλες εφαρμογές, σε αυτές τις περιοχές οι προγραμματιστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη βέλτιστη συχνότητα του μικροελεγκτή. Ακόμη και χρησιμοποιώντας σε τέτοιο περιβάλλον, οι προγραμματιστές μπορούν να κωδικοποιήσουν έξυπνα για να μειώσουν το μήκος του κώδικα επιλέγοντας τη σωστή οδηγία.

Για παράδειγμα: Εάν το βρόχο «για» παίρνει περισσότερες οδηγίες και μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει πολλές γραμμές οδηγιών που χρησιμοποιούν λιγότερη μνήμη για να κάνει την εργασία χωρίς να χρησιμοποιήσει το βρόχο για το , τότε οι προγραμματιστές μπορούν να ακολουθήσουν πολλές γραμμές οδηγιών αποφεύγοντας τη χρήση του βρόχου «για» .

Η επιλογή της κατάλληλης συχνότητας για μικροελεγκτή εξαρτάται από τις απαιτήσεις εργασίας. Υψηλότερη συχνότητα σημαίνει υψηλότερη κατανάλωση ισχύος αλλά και περισσότερη υπολογιστική ισχύ. Επομένως, ουσιαστικά η επιλογή της συχνότητας είναι η αντιστάθμιση μεταξύ της κατανάλωσης ισχύος και της απαιτούμενης ισχύος υπολογισμού.

Επίσης, το κύριο πλεονέκτημα της εργασίας σε χαμηλή συχνότητα είναι το χαμηλό ρεύμα τροφοδοσίας εκτός από το χαμηλότερο RFI (παρεμβολή ραδιοσυχνοτήτων).

Ρεύμα τροφοδοσίας (I) = Ρεύμα ηρεμίας (I _q) + (K x Συχνότητα)

Ο δεύτερος όρος κυριαρχεί. Η ενέργεια RFI ενός μικροελεγκτή είναι τόσο μικρή που είναι πολύ εύκολο να φιλτραριστεί.

Επομένως, εάν η εφαρμογή χρειάζεται γρήγορη ταχύτητα, μην ανησυχείτε για γρήγορη εκτέλεση. Αλλά αν η κατανάλωση ενέργειας είναι ανησυχητική, τρέξτε όσο πιο αργή είναι η εφαρμογή.

Τεχνική αλλαγής συχνότητας ρολογιού

Η μονάδα PLL (Phases Lock Loop) υπάρχει πάντα σε MCU υψηλής απόδοσης που λειτουργεί με υψηλή ταχύτητα. Το PLL αυξάνει τη συχνότητα εισόδου σε υψηλότερη συχνότητα, π.χ., από 8 MHz έως 32 Mhz. Είναι η επιλογή του προγραμματιστή να επιλέξει την κατάλληλη συχνότητα λειτουργίας για την εφαρμογή. Ορισμένες εφαρμογές δεν χρειάζεται να εκτελούνται με υψηλή ταχύτητα, σε αυτήν την περίπτωση οι προγραμματιστές πρέπει να διατηρήσουν τη συχνότητα ρολογιού του MCU όσο το δυνατόν χαμηλότερη για την εκτέλεση της εργασίας. Ωστόσο, σε μια πλατφόρμα σταθερής συχνότητας, όπως χαμηλού κόστους MCU 8-bit που δεν περιέχει μονάδα PLL, πρέπει να βελτιώσουμε τον κωδικό εντολής για να μειώσουμε την ενέργεια επεξεργασίας. Επίσης, το MCU που περιέχει μονάδα PLL δεν μπορεί να εκμεταλλευτεί τα οφέλη της τεχνικής εναλλαγής συχνότητας που επιτρέπει στο MCU να λειτουργεί σε υψηλή συχνότητα κατά την περίοδο επεξεργασίας δεδομένων και στη συνέχεια να επιστρέψει σε λειτουργία χαμηλής συχνότητας για την περίοδο μετάδοσης δεδομένων.

Το σχήμα εξηγεί τη χρήση της μονάδας PLL στην τεχνική εναλλαγής συχνότητας.

Επιλογή τρόπων διαχείρισης ρολογιού

Ορισμένοι από τους υψηλής ταχύτητας μικροελεγκτές υποστηρίζουν διαφορετικούς τρόπους διαχείρισης ρολογιού, όπως Λειτουργία διακοπής, Λειτουργίες διαχείρισης ενέργειας (PMM) και λειτουργία αδράνειας. Είναι δυνατή η εναλλαγή μεταξύ αυτών των λειτουργιών επιτρέποντας στον χρήστη να βελτιστοποιήσει την ταχύτητα της συσκευής κατά την κατανάλωση ενέργειας.

Επιλέξιμη πηγή ρολογιού

Ο κρυσταλλικός ταλαντωτής είναι ένας μεγάλος καταναλωτής ισχύος σε οποιονδήποτε μικροελεγκτή, ειδικά κατά τη λειτουργία χαμηλής ισχύος. Ο ταλαντωτής δακτυλίου, που χρησιμοποιείται για γρήγορες εκκινήσεις από τη λειτουργία διακοπής, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να παρέχει μια πηγή ρολογιού περίπου 3 έως 4MHz κατά τη διάρκεια της κανονικής λειτουργίας. Παρόλο που απαιτείται ταλαντωτής κρυστάλλου κατά την ενεργοποίηση, μόλις σταθεροποιηθεί ο κρύσταλλος, η λειτουργία της συσκευής μπορεί να αλλάξει στον ταλαντωτή δακτυλίου, πραγματοποιώντας εξοικονόμηση ενέργειας έως και 25 mA.

Έλεγχος ταχύτητας ρολογιού

Η συχνότητα λειτουργίας ενός μικροελεγκτή είναι ο μοναδικός μεγαλύτερος παράγοντας για τον προσδιορισμό της κατανάλωσης ισχύος. Η οικογένεια μικροελεγκτών υψηλής ταχύτητας μικροελεγκτών υποστηρίζει διαφορετικούς τρόπους διαχείρισης ταχύτητας ρολογιού που εξοικονομούν ενέργεια με επιβράδυνση ή διακοπή του εσωτερικού ρολογιού. Αυτές οι λειτουργίες επιτρέπουν στον προγραμματιστή του συστήματος να μεγιστοποιήσει την εξοικονόμηση ενέργειας με ελάχιστο αντίκτυπο στην απόδοση.

Εκτέλεση λογισμικού από μη πτητική μνήμη ή μνήμη RAM

Οι προγραμματιστές πρέπει να εξετάσουν προσεκτικά εάν το λογισμικό εκτελείται από μη πτητικές μνήμες ή μνήμη RAM για την εκτίμηση της τρέχουσας κατανάλωσης. Η εκτέλεση από τη μνήμη RAM μπορεί να προσφέρει χαμηλότερες ενεργές τρέχουσες προδιαγραφές. Ωστόσο, πολλές εφαρμογές δεν είναι αρκετά μικρές για να εκτελεστούν μόνο από τη μνήμη RAM και απαιτούν την εκτέλεση προγραμμάτων από μη πτητική μνήμη.

Τα ρολόγια λεωφορείων είναι ενεργοποιημένα ή απενεργοποιημένα

Οι περισσότερες εφαρμογές μικροελεγκτή απαιτούν πρόσβαση σε μνήμες και περιφερειακά κατά την εκτέλεση του λογισμικού. Αυτό απαιτεί την ενεργοποίηση ρολογιών λεωφορείων και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στις ενεργές τρέχουσες εκτιμήσεις.

Χρήση του εσωτερικού ταλαντωτή

Η χρήση εσωτερικών ταλαντωτών και η αποφυγή εξωτερικών ταλαντωτών μπορεί να εξοικονομήσει σημαντική ενέργεια. Καθώς οι εξωτερικοί ταλαντωτές αντλούν περισσότερο ρεύμα με αποτέλεσμα μεγαλύτερη χρήση ισχύος. Επίσης δεν είναι δεσμευμένο ότι κάποιος πρέπει να χρησιμοποιεί εσωτερικό ταλαντωτή, καθώς οι εξωτερικοί ταλαντωτές συνιστάται να χρησιμοποιούνται όταν οι εφαρμογές απαιτούν μεγαλύτερη συχνότητα ρολογιού.

συμπέρασμα

Η παραγωγή ενός προϊόντος χαμηλής ισχύος ξεκινά με μια επιλογή MCU και είναι πολύ δύσκολο όταν διατίθενται διάφορες επιλογές στην αγορά. Η τροποποίηση της συχνότητας μπορεί να έχει μεγάλο αντίκτυπο στη χρήση ισχύος και επίσης να δώσει ένα καλό αποτέλεσμα κατανάλωσης ενέργειας. Το πρόσθετο πλεονέκτημα της τροποποίησης της συχνότητας είναι ότι δεν υπάρχει επιπλέον κόστος υλικού και μπορεί να εφαρμοστεί εύκολα στο λογισμικό. Αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης ενός χαμηλού κόστους MCU. Επιπλέον, η ποσότητα εξοικονόμησης ενέργειας εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ των συχνοτήτων λειτουργίας, του χρόνου επεξεργασίας δεδομένων και της αρχιτεκτονικής του MCU. Η εξοικονόμηση ενέργειας έως 66,9% μπορεί να επιτευχθεί όταν χρησιμοποιείτε την τεχνική εναλλαγής συχνότητας σε σύγκριση με την κανονική λειτουργία.

Στο τέλος της ημέρας, για τους προγραμματιστές, η ικανοποίηση των αναγκών της αυξημένης λειτουργικότητας του συστήματος και των στόχων απόδοσης, ενώ ταυτόχρονα αυξάνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας των προϊόντων, αποτελεί σημαντική πρόκληση. Για την αποτελεσματική ανάπτυξη προϊόντων που παρέχουν τη μεγαλύτερη δυνατή διάρκεια ζωής της μπαταρίας - ή ακόμα και χωρίς καθόλου μπαταρία - απαιτείται βαθιά κατανόηση τόσο των απαιτήσεων του συστήματος όσο και των τρεχουσών προδιαγραφών του μικροελεγκτή. Αυτό είναι πολύ πιο περίπλοκο από την απλή εκτίμηση του πόσο ρεύμα καταναλώνει το MCU όταν είναι ενεργό. Ανάλογα με την εφαρμογή που αναπτύσσεται, η τροποποίηση συχνότητας, το ρεύμα αναμονής, το περιφερειακό ρεύμα μπορεί να έχει σημαντικότερο αντίκτυπο στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας από την ισχύ MCU.

Αυτό το άρθρο δημιουργήθηκε για να βοηθήσει τους προγραμματιστές να κατανοήσουν πώς οι MCU καταναλώνουν ισχύ σε όρους συχνότητας και μπορούν να βελτιστοποιηθούν με τροποποίηση της συχνότητας.