Минимизация потребления энергии

Миниатюризация МП - систем требует не только повышения степени интеграции элементной базы с целью сокращения числа ИС системы, но и снижения потребляемой этими ИС мощности. Малая энергия потребления часто является определяющим фактором целесообразности реализации устройства.

Современные МК имеют несколько режимов работы, которые различаются как алгоритмами функционирования МК, так и мощностью потребления:

- Активный режим (Run mode) – основной режим работы МК. В этом режиме МК выполняет прикладную программу, т.е. управляет объектом. В активном режиме функционируют все ресурсы МК, он потребляет максимальную мощность P_RUN

- Режим ожидания (Wait mode, или Idle mode, или Halt mode). В этом режиме прекращает работу центральный процессор, но продолжают работу периферийные модули, которые отслеживают поведение объекта управления. При необходимости периферийные модули переводят МК в активный режим работы, и программа управления вычисляет корректирующие воздействия для управления объектом. В режиме ожидания мощность потребления МК Р_WAIT снижается по сравнению с P_RUN в 5... 10 раз.

- Режим останова (Stop mode или Sleep mode, иногда Power Down mode). В этом режиме прекращает работу, как центральный процессор, так и большинство периферийных модулей. Переход МК из режима останова в рабочий режим возможен только по запросам на прерывание от внешних источников или после подачи активного уровня сигнала на вход сброса. В режиме останова мощность потребления МК P_STOP составляет единицы мкВт.

Два последних режима – режимы пониженного энергопотребления МК. Минимизация энергии потребления МП- системы достигается оптимизацией мощности потребления МК в активном режиме, а также чередованием во времени активного режима работы МК и режимов пониженного энергопотребления. Мощность потребления МК в активном режиме не является величиной постоянной и зависит от напряжения питания МК, режимов работы с внешними устройствами и частоты тактирования. Переход МК из режима пониженного энергопотребления в активный требует дополнительных временных затрат.

МК имеют три группы исполнения по напряжению питания. К первой группе относятся МК с напряжением питания 5,0 В ± 10%. Эти МК предназначены для работы в составе устройств с питанием от промышленной или бытовой сети. Как правило, это МК средней или высшей группы сложности, с достаточно высоким уровнем потребляемой мощности вследствие развитых функциональных возможностей. Вторая группа – МК с расширенным диапазоном напряжения питания: от 2.0...3.0 В до 5.0...7.0 В. МК второй группы могут работать в составе устройств с сетевым или с автономным питанием. Возможно их использование в изделиях со встроенным источником бесперебойного питания, которые автоматически переходят на питание от аккумуляторов при снижении напряжения сети. К третьей группе относятся МК с пониженным напряжением питания – от 1.8 до 3.0 В Эти МК предназначены для работы в переносных изделиях с автономным питанием и обеспечивают экономный расход энергии элемента питания.

Т.к. для вторичных источников питания обычно приводится значение максимального тока нагрузки при заданном уровне напряжения, а запас энергии автономных источника оценивается в А × ч, мощность потребления МК косвенно характеризуют током потребления при заданных значениях напряжения питания и частоты синхронизации. Зависимость тока потребления от напряжения питания МК в первом приближении можно рассматривать как прямо пропорциональную. Поэтому снижение напряжения питания существенно понижает мощность потребления МК. Однако с понижением напряжения питания уменьшается максимально допустимая частота тактирования, т.е. выигрыш в потребляемой мощности оборачивается снижением производительности системы. Так, переход от напряжения питания с 5.0 В к 3.0 В сопровождается снижением допустимой частоты тактирования в два раза, а при напряжении 1.8 В – в восемь раз. При одном и том же напряжении питания ток потребления МК значительно зависит от частоты тактирования. Поэтому не следует стремиться к предельно высокому быстродействию МК в задачах, которые этого не требуют. Выбор частоты тактирования МК часто определяется разрешающей способностью измерителей временных интервалов на основе таймера или скоростью передачи последовательного интерфейса. Сначала следует оценить требуемую частоту тактирования, а затем выбрать f_BUS с некоторым запасом.

Современные МК не имеют нижней границы частоты тактирования. В справочных данных указывают, что минимальная частота тактирования равна dc (direct current), т.е. сколь угодно низкая. Это также означает, что при отладке системы пользователь может тактировать МК от кнопки с антидребезговым устройством, выполняя программу по шагам. Мощность потребления МК при низких частотах тактирования в справочных данных отражает ток потребления при f_OSC = 32,768 кГц (частота "часового" кварца).