本文格式為Word版，下載可任意編輯——單片機的工作原理在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，單片機系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，本文從單片機系統(tǒng)的低功耗概念角度啟程，闡述了單片機系統(tǒng)低功耗設(shè)計的理論依據(jù)，分析了降低能耗的主要措施，然后從硬件和軟件兩個角度，對單片機系統(tǒng)的低功耗設(shè)計思路和要點舉行了細致闡述，供同行業(yè)者參考。

一、引言

當前，隨著我國電子計算機和半導(dǎo)體技術(shù)的進展，基于單片機系統(tǒng)的集成電子產(chǎn)品進入了大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)階段，人們?nèi)粘Ｉ钪?，也越來越多的使用集成化的單片機系統(tǒng)產(chǎn)品。與此同時，人們對單片機系統(tǒng)的低功耗要求也逐步被設(shè)計者重視，究其理由，主要有以下點：人們對單片機系統(tǒng)低功耗的要求與當今社會儉約能源資源，提高能源資源利用率的主題相吻合；采用低功耗設(shè)計的單片機系統(tǒng)，其使用壽命更長，大大裁減能源資源的濫用，有利于環(huán)境養(yǎng)護；低功耗系統(tǒng)單片機的市場競爭才能更強，更輕易受到人們的青睞，經(jīng)濟效益可觀。目前，我國正在大力實施科技技術(shù)創(chuàng)新，單片機系統(tǒng)的低功耗設(shè)計也越來越受到人們的重視，低功耗設(shè)計理念得到了大力推廣與應(yīng)用。本文從理論和實踐兩個角度啟程，對單片機系統(tǒng)低功耗設(shè)計做出了細致的闡述，以供同行業(yè)者參考。

二、單片機低功耗系統(tǒng)的概念和理論依據(jù)

（一）低功耗單片機系統(tǒng)的概念：所謂的單片機低功耗系統(tǒng)是指以單片機系統(tǒng)的能量消耗為主要的技術(shù)指標，考察不同單片機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)所消耗的能量，以此作為衡量單片機系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

（二）理論根據(jù)：在集成電路中，常用的兩種規(guī)律電路類型分別是TIL電路和CMOS電路。不管設(shè)計者采用何種電路，只要電路中有電路流過，即會產(chǎn)生電路功耗。對一般的集成電路來說，電路功耗分為靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗，靜態(tài)功耗是當電路狀態(tài)未發(fā)生翻轉(zhuǎn)時的電路功耗。動態(tài)功耗是當電路狀態(tài)值發(fā)生翻轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的功耗，TTL電路和CMOS電路的根本差異在于由于構(gòu)成二者電路的器件本質(zhì)不同，它們的動態(tài)和靜態(tài)功耗有很大不同。概括來說，CMOS電路為電壓操縱型，在靜態(tài)時其功耗為電路泄露電流，而且只在動態(tài)時才展現(xiàn)功耗，一般為10μW，而TIL電路的的功耗在動態(tài)時可以達成10mW，此外，CMOS電路的工作電壓范圍寬，可以在3～18V電壓范圍內(nèi)正常工作，而TTL電路的工作電壓固定為5V。

CMOS電路的功耗可以由由下式描述：

總功耗：P=PD+PA

靜態(tài)功耗：PD=VDD×IDD

動態(tài)功耗：PA=VDD×ITC+VDD×fCL

公式中VDD-工作電源電壓

IDD-靜態(tài)時電源流向電路的內(nèi)部電流

ITC-脈沖電路的時間平均值

f-工作頻率CL-電路輸出端的負載電容

可以看出，CMOS的靜態(tài)功耗根本可以疏忽不計，而動態(tài)功耗由瞬時導(dǎo)通功耗和電容充放電功耗兩片面構(gòu)成，從上述公式可以看出，要降低CMOS電路的功耗，主要從降低電路工作頻率、工作電壓角度人手，使電路盡可能的處于靜態(tài)工作狀態(tài)。

（三）降耗的主要措施：降壓降耗法：在單片機系統(tǒng)工作過程中，根據(jù)負載實際處境，采用數(shù)字電路和模擬電路的混合操縱法，調(diào)理系統(tǒng)或其中某些部件的工作電壓，使工作電壓連續(xù)變化，從而達成降低能耗的目的。降頻降耗法：在單片機系統(tǒng)工作過程中，根據(jù)負載實際處境，采用倍比變化，調(diào)理整個系統(tǒng)或其中某些部件的工作頻率，從而達成降低能耗的目的。

（四）低功耗設(shè)計的總體原那么：在對單片機系統(tǒng)舉行低功耗系統(tǒng)設(shè)計時，需要明確的是首先需要將那些功耗大、使用次數(shù)少的器件中斷，通過使用I/0端口的斷電功能實現(xiàn)，然后才考慮舉行低功耗的設(shè)計。

三、單片機系統(tǒng)低功耗的硬件設(shè)計

從上述理論角度分析人手，可以舉行單片機系統(tǒng)低功耗的硬件與軟件設(shè)計。

（一）CMOS電路的設(shè)計：CMOS電路的低功耗設(shè)計是指在概括電子器件的選擇上，盡量選擇CMOS電路，可以使整個系統(tǒng)的功耗大大降低，此外還可以鞏固系統(tǒng)的抗干擾才能。在選擇CMOS器件時，理應(yīng)選擇那些電壓較低的、頻率較慢的元器件，整個系統(tǒng)最好更多的處于靜態(tài)工作狀況。另一方面，還應(yīng)盡量選取集成度高的集成芯片來代替多個單一功能芯片。需要留神的是，在使用CMOS器件時，沒有使用的輸入端，不能懸空處理，由于懸空時的高輸入阻抗會給電路產(chǎn)生感應(yīng)電荷，當感應(yīng)電荷積累可能擊穿CMOS器件，造成CPU不斷喚醒，無法進入掉電模式，因此，不使用的電路輸入端理應(yīng)舉行接地處理或者將其接到VCC端，決不能懸空。

（二）門控時鐘的設(shè)計

單片機電路中的時鐘是唯一單片機系統(tǒng)器件在全體工作時間內(nèi)都充放電的信號，因此，降低時鐘的開關(guān)頻率將對整個系統(tǒng)的功耗產(chǎn)生明顯影響。門控寄放器的原理是當寄放器保持數(shù)據(jù)時，關(guān)閉寄放器時鐘，從而降低功率消耗。圖1是時鐘操縱電路的規(guī)律圖。

四、單片機系統(tǒng)低功耗的軟件設(shè)計

在系統(tǒng)硬件支持下，單片機系統(tǒng)的軟件設(shè)計以盡量儉約電源消耗為目的。一方面盡量裁減CPU運行時間，使CPU較長地處于空閑方式或掉電方式可以大大降低電源功率消耗。此外，采用更加快速的算法，使得CPU在較短時間內(nèi)完成信息處理和計算任務(wù)。另一方面將整個軟件系統(tǒng)設(shè)計成主程序和中斷子程序布局，當主程序完成系統(tǒng)初始化以后，CPU即進入掉電模式，然后打定采納中斷程序，制止采用過多的循環(huán)程序，保證系統(tǒng)絕大多數(shù)