MCU低功耗设计（一）理论
关键词：MCU低功耗, STM8L低功耗, 节能技巧
一．MCU耗能因素
现代的MCU一般使用CMOS技术，耗能包括2方面：
静态消耗 主要是晶体管消耗能量；
动态消耗 公式=C×V2×f，其中C是CMOS的负载电容，V是供电电压，f是时钟频率；
总电能消耗是静态消耗和动态消耗之和，即：IDD=f×IDynamicRun[uA/MHz]+IStatic[uA].
因此，电能消耗依赖于：
MCU芯片尺寸 或者说晶体管的数目；
MCU供电电压 降低电压可以成平方级别地降低电能消耗；
时钟频率 可以把时钟频率降低到刚好满足应用需要；
外设数目 使能的外设越多，耗能越大；
运行模式 合理选择工作模式可以大幅节能，如，全速工作极短时间后进入睡眠模式。
二．节能方法
1. 关闭不需要使用的外设；
2. 所有未使用的引脚必须连接到一个确定的逻辑电平；
3. 当有外设必须保持激活时，使用Wait模式来获得低功耗；
4. 使用合适的VDD值；
5. 尽可能地使用低功耗运行模式；
6. 如果不能使用低功耗模式，那就将主频降低到满足应用的最小值；
7. 如果可能，使用动态控制I/O引脚的上拉功能。
三．低功耗模式
支持低功耗的MCU一般都有好几种运行模式，以ST公司的STM8L为例，它支持5种低功耗模式：等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止。每一种模式的进入方式，节能级别和外设工作要求，总结表1：
表1 STM8L低功耗运行模式
|
模式 |
等待 |
低功耗运行 |
低功耗等待 |
主动停止 |
停止 |
|
|
入口 |
WFI |
WFE |
软件代码 |
软件代码+WFE |
HALT |
HALT |
|
晶振 |
开 |
开 |
LSI或LSE |
LSI或LSE |
LSI或LSE |
关 |
|
CPU |
关 |
关 |
开 |
关 |
关 |
关 |
|
外设 |
开 |
开 |
开 |
开 |
关，仅RTC开 |
关 |
|
唤醒 |
所有内部和外部中断，复位 |
所有内部和外部中断，复位，唤醒事件 |
软件代码，复位 |
内部和外部事件，复位 |
外部中断，RTC中断，复位 |
外部中断，复位 |
|
电压调节器 |
MVR |
MVR |
ULP |
ULP |
CLK_ICKCR |
ULP |
|
程序执行区 |
FLASH |
FLASH |
RAM |
RAM |
FLASH |
FLASH |
|
FLASH+E2 |
开 |
开 |
关 |
关 |
关 |
关 |
|
中断 |
允许 |
允许 |
禁止 |
禁止 |
允许 |
允许 |
|
中断服务后 返回状态 |
AL=0：main AL=1：WFI |
WFE |
/ |
/ |
AL=0：main AL=1主动停止 |
AL=0：main AL=1：停止 |
|
事件处理后 返回状态 |
/ |
Main |
/ |
低功耗运行 |
/ |
/ |
|
RAM+寄存器 |
保留 |
保留 |
保留 |
保留 |
保留 |
保留 |
|
@3V/25℃ |
5.9uA |
5.4uA |
3.3uA |
1.0uA |
0.4uA |
|
|
特殊事项 |
/ |
/ |
禁止ADC |
/ |
清除外设悬挂中断标志位 |
|
上述低功耗运行模式对于开发者来说有点多，尤其刚接触STM8L处理器。我们需要一般性的指导原则，表2是来源于实践的经验。
表2 选择合理的STM8L节能模式
|
节能要求 |
应用场合 |
睡眠时长 |
唤醒方式 |
恢复时长 |
运行模式 |
|
苛刻 |
CPU空闲，等待外部信号唤醒 |
长 |
外部中断 |
≥2.8us |
HALT |
|
苛刻 |
CPU空闲，等待时钟周期唤醒 |
长 |
RTC周期 |
≥2.8us |
Active-halt |
|
严格 |
CPU有持续、微负荷任务运行 |
/ |
/ |
≥2.8us |
低功耗运行 |
|
严格 |
CPU短暂等待中断发生 |
短 |
任意中断 |
短 |
等待中断 |
|
严格 |
CPU短暂等待事件发生 |
短 |
注册事件 |
短 |
等待事件 |
|
需要 |
CPU有持续、轻负荷任务运行 |
/ |
/ |
/ |
调整主频 |
四．鲜为人知的技巧
1. 使用Wait替换查询方式达到节能目的
常见的查询方式如下，此时CPU无事可干，白白消耗电能。
ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */
while (!(ADC_SR & ADC_SR_EOC)) ; /* wait for EOC bit set */
可以使用等待事件的方式来节省电能。
先配置ADC为事件源，并使能相应的中断：
WFE_CR2 = ADC_COMP_EV; /* enable ADC as a source of event */
ADC_CR1 = ADC_EOCIE; /* enable interrupt for end of conversion */
当ADC转换完成后，唤醒处于等待的CPU：
ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */
_asm(“wfe”); /* enter wait mode until waked by ADC_EOCIE*/
2. 无须上下文切换的中断模式
应用程序设计时，如果所有中断事件由ISR完成，可以通过将CFG_GCR寄存器中AL位置1来节省电能：避免保存/恢复context、无须主程序运行（返回到WFI模式），如下图1所示。
图1 WFI模式下中断无须上下文切换
将AL位置1节省电能的方法同样可以用于HALT模式，原理如下图2所示。
图2 HALT模式下中断无须上下文切换
3. 动态设置I/O口的上拉功能
很多应用需要按键作为人机接口，按键一般连接到I/O上。当按键没有动作时I/O口设置内部上拉而获得确定的逻辑电平；一旦按键按下，I/O口对地导通将产生额外的40～70uA电流，这对于电池供电的低功耗来说是十分重要的。
可以动态地控制I/O口的上拉达到节能的目的：一旦按键按下，中断服务程序将禁止该I/O口的上拉功能；然后软件定时执行—先使能上拉功能，再检测I/O口状态，如果按键仍按下再次禁止上拉功能，否则使能I/O口的上拉功能。整个逻辑如下图3所示：
图3 动态设置I/O口的上拉而节能
4. CPU空闲节能策略
CPU的空闲节能如下图4所示，它的逻辑包括以下几个步骤：
(1)发现CPU空闲：带OS系统，表现为任务没有事件需要响应，或者进入idle进程；无OS系统，表现为程序运行结束。
(2) 选择一种合适的CPU节能模式：chip_EnterLowPower()完成进入节能前的准备工作，包括：关闭外设，切换I/O引脚到节能状态。
(3) 退出节能模式需要调用chip_ExitLowPower()，可能发生在以下2种情形：
a. 需要使用被关闭外设的ISR：
b. 由process直接退出；
chip_ExitLowPower()的善后工作包括：使能外设，切换I/O引脚到工作状态。同时为避免ISR和process两次操作chip_ExitLowPower()，该函数设置了状态变量避免重复退出。
图4 CPU空闲节能策略
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《MCU低功耗设计（三）产品》
作者简介：
蒋俊，男，硕士研究生，现任长沙市锐米通信科技有限公司CEO。
从事通信研究与嵌入式开发10年，主攻微功率无线网络。
精通LoRa无线扩频通信，无线星型/树型/MESH网络设计；
通晓Contiki,Linux,uC/OS-II,OSAL等操作系统；
熟悉ARM,DSP,STM8,PIC,PC104等处理器；
擅长AD，RF等集成IC开发。
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