7. Мінімізація споживання енергії в мп-системах

Одна з основних тенденцій розвитку вбудованих МП-систем – їхня мініатюризація, що вимагає не тільки підвищення ступеня інтеграції елементної бази з метою скорочення кількості ІС системи, але й зниження споживаної цими ІС потужності. Мала енергія споживання в багатьох

випадках є визначальним чинником доцільності реалізації проектованого пристрою в цілому:

• З одного боку, лавиноподібно наростає кількість пристроїв з автономним живленням, які принципово можуть бути виконані тільки на основі елементної бази з малим споживанням енергії.

• З іншого боку, навіть при роботі в складі виробів з живленням від побутової або промислової мережі мікропроцесорний контролер повинен займати жорстко обмежений обсяг, що може бути реалізовано при малій потужності розсіювання мікропроцесорного контролера й, як наслідок, малих розмірах джерела живлення.

Сучасні МК мають кілька режимів роботи, які розрізняються не тільки алгоритмами функціонування МК, але й потужністю споживання:

₁ Активний режим (Run mode) – основний режим роботи МК. У цьому режимі МК виконує прикладну програму, тобто керує об'єктом. У активному режимі функціонують усі ресурси МК. У цьому режимі МК споживає максимальну потужність Р_RUN.

2. Режим очікування (Walt mode, або Idle mode, або Halt mode). У цьому режимі припиняє роботу центральний процесор, але продовжують

роботу периферійні модулі, які відслідковують поводження об'єкта керування. При необхідності периферійні модулі переводять МК в активний режим роботи, й програма керування обчислює коригувальні впливи для керування об'єктом. Перехід МК із режиму очікування в робочий режим здійснюється за перериваннями від зовнішніх джерел або від периферійних модулів, або при скиданні МК. У режимі очікування потужність споживання MК Р_WAIT знижується в порівнянні з Р_RUN у 5...10 разів.

2. Режим зупинки (Stop mode для МК фірми Motorola, або Sleep - mode для МК фірми Microchip, іноді Power Down mode). У цьому режимі припиняє роботу як центральний процесор, так і більшість периферійних модулів. Як правило, перехід МК із режиму зупинки в робочий режим можливий тільки за запитами на переривання від зовнішніх джерел або після подачі активного рівня сигналу на вхід скидання. У режимі зупнки потужність споживання МК Р_STOP знижується в порівнянні з Р_RUN на три рівні й становить одиниці мікровольт.

Два останніх режими звуться режимами зниженого енергоспоживання МК. Мінімізація енергії споживання вбудованих МП- систем досягається оптимізацією потужності споживання МК в активному режимі роботи, а також чергуванням у часі активного режиму роботи МК і режимів зниженого енергоспоживання. Потужність споживання МК в активному режимі роботи є однієї з важливих технічних характеристик МК. Однак вона не є величиною постійною й залежить від напруги живлення МК і частоти тактування.

Незалежно від фірми-виробника 8-розрядні МК мають три групи виконання за напругою живлення. До першої групи відносяться МК із напругою живлення 5,0 В ± 10 %. Ці МК призначені для роботи в складі

пристроїв з живленням від промислової або побутової мережі. Як правило, це МК середньої або вищої групи складності, з досить високим рівнем споживаної потужності внаслідок розвинених функціональних можливостей. Друга група – МК із розширеним діапазоном напруги живлення: від 2.0...3.0 В до 5.0...7.0 В. Конкретні значення напруг верхньої й нижньої границь визначаються моделлю МК. МК другої групи можуть працювати в складі пристроїв як з мережним, так і з автономним живленням. Нерідкі випадки їхнього використання у виробах з убудованим джерелом безперебійного живлення, які автоматично переходять на живлення з акумуляторів при зниженні напруги мережі. До третьої групи відносяться МК зі зниженою напругою живлення: від 1,8 до 3,0 В. Ці МК призначені для роботи в переносних виробах з автономним живленням, тому що мають струм споживання в 3 рази менший, чим аналогічні МК першої групи, й забезпечують ощадливу витрату енергії елемента живлення.

З огляду на те, що для вторинних джерел живлення звичайно наводиться значення максимального струму навантаження при заданому рівні напруги на виході, а запас енергії автономних джерел оцінюється в А×час, потужність споживання МК прийнято побічно характеризувати струмом споживання при заданих значеннях напруги живлення й частоти синхронізації..

Залежність струму споживання від напруги живлення МК у першому наближенні можна розглядати як прямо пропорційну. Тому зниження напруги живлення досить істотно знижує потужність споживання МК. Однак варто пам'ятати, що для багатьох типів МК зі зниженням напруги живлення зменшується максимально припустима частота тактування f_BUS, тобто виграш у споживаній потужності обертається зниженням продуктивності системи. Так, для МК сімейства НС08 фірми Motorola

перехід від напруги живлення U_DD = 5,0 В до U_DD= 3,0 В супроводжується зниженням припустимої частоти тактування від f_BUS = 8 МГц до f_BUS⁼ 4 МГц. А для МК сімейства НС05 при напрузі живлення U_DD= 5,0 В максимальна частота тактування становить f_BUS= 4 МГц, при U_DD = 3,0 В – f_BUS = 2 МГц, а при U_DD = 1,8 В – усього 500 кГц. Однак обмеження f_BUS, якщо таке є, має східчастий характер, і для багатьох моделей МК можливий

режим роботи: U_DD < U_DDMAX, f_BUS= f_BUSmax.

При тій самій напрузі живлення струм споживання МК значною мірою залежить від частоти тактування f_BUS. Тому, вибираючи частоту тактування, треба в тому числі мати на меті зниження потужності споживання. Не слід прагнути до гранично високої швидкодії МК у завданнях, які цього не вимагають. Вибір частоти тактування МК у багатьох випадках визначається не тільки міркуваннями обчислювальної продуктивності. Часто визначальним фактором виявляється розв'язна здатність вимірників часових інтервалів на основі таймера або швидкість передачі послідовного інтерфейсу. Але в кожному разі варто детально оцінити необхідну частоту тактування, а потім вибрати f_BUS з деяким

запасом. При такому підході технічні умови проекту будуть виконані і пристрій буде економно витрачати енергію.

Сучасні МК не мають нижньої границі частоти тактування. Бажаючи підкреслити дану особливість, у довідкових даних указують, що мінімальна частота тактування дорівнює dc (direct current), тобто як завгодно низька. Це в тому числі означає, що при налагодженні системи користувач може тактувати МК від кнопки з антидріб’язковим тригером, виконуючи програму по кроках.

У більшості моделей МК частота тактування визначається зовнішнім часозадавальним елементом: кварцовим або керамічним резонатором, RC- ланцюгом. Причому частота часозадавального елемента й частота тактування f_BUS жорстко зв'язані коефіцієнтом розподілу убудованого дільника частоти. Тому зміна частоти в процесі виконання програми керування не є можливою. Однак низка останніх сімейств МК деяких фірм (НС08 Motorola, DS87C530) має у своєму складі систему тактування, засновану на принципі синтезатора частоти з контуром фазового автопідстроювання (PLL – phase loop lock). Така система працює як множувач частоти й дозволяє мати в якості часозадавального елемента низькочастотний кварцовий резонатор, що знижує рівень електромагнітного випромінювання при його роботі. Коефіцієнти розподілу контуру PLL підлягають програмуванню й, отже, можуть бути змінені під управлінням програми. Останнє створює можливість зміни частоти тактування з метою зниження потужності споживання МК у проміжки часу, коли висока швидкодія не потрібна.

Крім динамічного керування частотою тактування, можливо також відключення деяких периферійних модулів МК у процесі виконання програми. Так, якщо інформація про стан об'єкта керування знімається рідко, то модуль АЦП варто підключати тільки на час його роботи. Аналогічне рішення може бути застосовано й до інших модулів, у тому числі до модуля енергонезалежної пам'яті EEPROM .

Багато приладів на основі 8-розрядних МК улаштовані таким чином, що протягом тривалого часу виконання програми МК не потрібно зовсім. Для ілюстрації наведемо два приклади.

Приклад 1. Пульт дистанційного керування побутових апаратур. Програмне забезпечення пульта повинно функціонувати тільки в тому випадку, якщо змінюється стан органів керування. В інший час МК перебуває ніби в стані готовності, причому цей стан може тривати цілодобово, наприклад, поки не дивляться телевізор.

Приклад 2. Лічильник теплової енергії. Вимірює температуру й витрату води в трубопроводах опалення один раз за хвилину. Робить за цими показниками розрахунок спожитої теплової енергії й чекає початку чергової хвилини.

Саме для таких випадків передбачені режими зниженого енергоспоживання МК, які, на відміну від розглянутих вище мір зниження потужності споживання, обов'язково припускають зупинку виконання

програми центральним процесором. Так, у прикладі 1 після виконання чергової дії варто перевести МК у режим зупинки (Stop mode). Вихід із цього режиму буде здійснений за запитом на переривання при натисканні будь-якої клавіші пульта керування. У прикладі 2 програма керування повинна виконуватися на початку кожної хвилини. Якщо для відліку інтервалу часу, рівного хвилині, використовується внутрішній таймер, то в проміжках між обчисленнями МК може бути переведений тільки в режим очікування (Wait mode), тому що в цьому режимі залишаються працездатними периферійні модулі МК. Для досягнення більше істотної економії енергії варто перевести МК у режим зупинки, але при цьому прийдеться скористатися зовнішньою часозадавальною схемою.

Для зниження потужності споживання в сучасних МК передбачена можливість програмного відключення периферійних модулів у режимі очікування. Комбінація модулів, що залишилися в роботі, визначає струм споживання в режимі очікування. Тому при описі деяких МК (наприклад, MSP430 фірми Texas Instruments) мова йде про безліч режимів зниженого енергоспоживання.

У деяких МК для режиму зупинки є опція, що дозволяє залишити в роботі генератор кварцового резонатора й один часозадавальний модуль. Так, у МК сімейства НС08 фірми Motorola залишається в роботі модуль базового таймера ТВМ08, а в МК сімейства PIC16 фірми Microchip – модуль сторожового таймера. Перше зі згаданих рішень трохи більш зручно, тому що дозволяє не поєднувати алгоритм обслуговування скидання із зависання системи (спрацював сторожовий таймер) і алгоритм обслуговування периферії через рівні проміжки часу.

Крім очевидного розходження у функціонуванні периферійних модулів, режими очікування й зупинки відрізняються також характером процесу переходу з режиму зниженого енергоспоживання в активний режим роботи. Вихід з режиму очікування відбувається протягом 3...5 періодів синхронізації МК у той час, як затримка виходу з режиму зупинки становить кілька тисяч періодів синхронізації МК. Якщо тактування МК здійснюється від низькочастотного кварцового резонатора з наступним множенням частоти внутрішніми засобами МК, то під періодом синхронізації варто розуміти період коливання кварцового резонатора. Крім очевидної незручності поганої динаміки системи, що перебуває в стані зупинки, такий великий час переходу в активний режим роботи є причиною додаткової витрати енергії. У МК MSP430 з ультранизьким споживанням енергії додаткова економія енергії досягається за рахунок скорочення часу переходу з режиму низького енергоспоживання в активний режим роботи. Це дозволяє МК MSP430 працювати в складі лічильника теплової енергії при автономному живленні протягом 10 років без заміни батарейок.

Не всі МК мають саме два режими зниженого енергоспоживання. Так, у МК сімейства PIC16 реалізується тільки один режим Sleep (дослівно

• «сплячий режим»), а в МК MSP430 – п'ять режимів низького

енергоспоживання LP0...LP4. Але хоча б один режим зниженого енергоспоживання мають усі сучасні МК.