Kaip modifikuoti laikrodžio dažnį, kad sumažintumėte mikrovaldiklio energijos suvartojimą

Kūrėjai visada susiduria su iššūkiu, užtikrindami aukštą funkcionalumą ir našumą, tuo pačiu padidindami akumuliatoriaus tarnavimo laiką. Taip pat kalbant apie elektroninius gaminius, svarbiausia yra akumuliatoriaus sąnaudos. Turėtų būti kuo mažiau padidinti prietaiso veikimo laiką. Energijos valdymas yra labai svarbus nešiojamosiose ir baterijomis maitinamose programose. Mikroamperų vartojimo skirtumai gali lemti mėnesius ar metus, o tai gali padidinti arba sumažinti produkto populiarumą ir prekės ženklą rinkoje. Padidėjus produktams reikia efektyviau optimizuoti baterijų naudojimą. Šiais laikais vartotojai reikalauja ilgesnės atsarginės akumuliatoriaus atsargos ir kompaktiško dydžio gaminių, todėl gamintojai sutelkia dėmesį į mažesnį akumuliatoriaus dydį su itin ilgu akumuliatoriaus tarnavimo laiku, o tai yra abejotina užduotis. Bet,kūrėjai sugalvojo energijos taupymo technologijas, patyrę daugybę veiksnių ir kritinių parametrų, turinčių įtakos baterijos veikimo laikui.

Yra daugybė parametrų, turinčių įtakos akumuliatoriaus naudojimui, pvz., Naudojamas mikrovaldiklis, darbinė įtampa, srovės suvartojimas, aplinkos temperatūra, aplinkos būklė, naudojami periferiniai įrenginiai, įkrovimo ir įkrovimo ciklai ir kt. Atsižvelgiant į tai, kad į rinką ateina išmanieji produktai, labai svarbu pirmiausia sutelkti dėmesį į naudojamą MCU, optimizuoti baterijos veikimo laiką. MCU tampa kritine dalimi, kai reikia taupyti mažų gaminių energiją. Taigi pirmiausia rekomenduojama pradėti nuo MCU. Dabar MCU pateikiami skirtingi energijos taupymo būdai. Norėdami sužinoti daugiau apie energijos suvartojimo mažinimą mikrovaldikliuose (MCU), skaitykite ankstesnį straipsnį. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama vienam svarbiam parametrui, mažinančiam energijos suvartojimą mikrovaldiklyje, tai yra modifikuoti laikrodžio dažnįkuria reikia pasirūpinti naudojant MCU mažos galios programoms.

Kodėl reikia modifikuoti mikrovaldiklių laikrodžio dažnį?

Iš daugelio aukščiau paminėtų parametrų taupant energiją labai svarbus vaidmuo tenka dažnio pasirinkimui. Tyrimas rodo, kad neteisingas mikrovaldiklių veikimo dažnio pasirinkimas gali žymiai sumažinti procentą (%) akumuliatoriaus energiją. Kad išvengtumėte šio nuostolio, kūrėjai turi pasirūpinti tinkamu dažnio parinkimu, kad veiktų mikrovaldiklis. Dabar nebūtina, kad dažnis galėtų būti pasirinktas iš pradžių, tuo pačiu nustatant mikrovaldiklį, tuo tarpu jį galima pasirinkti ir tarp programavimo. Yra daug mikrovaldiklių, kurie pasirenkami su bitais, norint pasirinkti norimą veikimo dažnį. Taip pat mikrovaldiklis gali veikti keliais dažniais, todėl kūrėjai turi galimybę pasirinkti tinkamą dažnį, priklausomai nuo programos.

Koks yra kelių dažnių pasirinkimo poveikis spektakliui?

Neabejotina, kad įvairių dažnių pasirinkimas turės įtakos mikrovaldiklio veikimui. Kaip ir mikrovaldiklio atžvilgiu, labai gerai žinoma, kad dažnis ir našumas yra proporcingi. Tai reiškia, kad didesnis dažnis turės mažiau kodo vykdymo laiko, taigi ir didesnį programos vykdymo greitį. Taigi dabar labai aišku, kad jei bus keičiamas dažnis, pasikeis ir našumas. Tačiau nebūtina, kad kūrėjai turėtų laikytis vieno dažnio vien dėl didesnio mikrovaldiklio našumo.

Žemas ar aukštas dažnis, kurį pasirinkti?

Tai ne visada, kai mikrovaldiklis turi užtikrinti aukštą našumą, yra keletas programų, kurioms reikia vidutinio mikrovaldiklio našumo. Tokio tipo programose kūrėjai gali sumažinti veikimo dažnį nuo GHz iki MHz ir net iki minimalaus dažnio, reikalingo paleisti mikrovaldiklį. Nors kai kuriais atvejais reikalingas optimalus veikimas, taip pat vykdymo laikas yra labai svarbus, pvz., Vairuojant išorinius „flash ADC“ be FIFO buferio, vaizdo įrašų apdorojimo ir daugelyje kitų programų, šiose srityse kūrėjai gali naudoti optimalų mikrovaldiklio dažnį. Net naudodamiesi tokiomis aplinkomis, kūrėjai gali sumaniai koduoti, kad sumažintų kodo ilgį, pasirinkdami tinkamą instrukciją.

Pvz.: jei ciklas „for“ ima daugiau instrukcijų ir gali naudoti kelias instrukcijų eilutes, kurios naudoja mažiau atminties, kad atliktų užduotį nenaudodamos „ for loop“, tada kūrėjai gali naudoti kelias instrukcijų eilutes, vengdami naudoti „for“ kilpos.

Tinkamo mikrovaldiklio dažnio pasirinkimas priklauso nuo užduoties reikalavimų. Didesnis dažnis reiškia didesnę energijos sąnaudas, bet ir daugiau skaičiavimo galios. Taigi iš esmės dažnio pasirinkimas yra kompromisas tarp energijos suvartojimo ir reikalingos skaičiavimo galios.

Taip pat pagrindinis darbo žemu dažniu pranašumas yra maža maitinimo srovė, be mažesnių RFI (radijo dažnių trukdžių).

Maitinimo srovė (I) = ramybės srovė (I _q) + (K x dažnis)

Vyrauja antrasis terminas. Mikrokontrolerio RFI energija yra tokia maža, kad ją labai lengva filtruoti.

Taigi, jei programai reikalingas greitas greitis, nesijaudinkite dėl greito veikimo. Bet jei energijos sunaudojimas kelia susirūpinimą, važiuokite taip lėtai, kiek leidžia programa.

Laikrodžio ir dažnio perjungimo technika

PLL (Phases Lock Loop) blokas visada egzistuoja didelio našumo MCU, veikiančiu dideliu greičiu. PLL didina įėjimo dažnis į aukštesnį dažnių pvz, nuo 8 iki 32 MHz MHz. Kūrėjas gali pasirinkti tinkamą programos veikimo dažnį. Kai kurioms programoms nereikia veikti dideliu greičiu, tokiu atveju kūrėjai turi išlaikyti kuo mažesnį MCU laikrodžio dažnį, kad galėtų vykdyti užduotį. Tačiau fiksuoto dažnio platformoje, pvz., Pigiame 8 bitų MCU, kuriame nėra PLL bloko, reikia patobulinti instrukcijų kodą, kad sumažėtų apdorojimo energija. Be to, MCU, kuriame yra PLL blokas, negali išnaudoti dažnio perjungimo technikos, leidžiančios MCU duomenų apdorojimo laikotarpiu veikti aukštu dažniu, o tada duomenų perdavimo laikotarpiui grįžti prie žemo dažnio, pranašumų.

Paveiksle paaiškinamas PLL įrenginio naudojimas dažnio perjungimo technikoje.

Laikrodžio valdymo darbo režimų pasirinkimas

Kai kurie greitaeigiai mikrovaldikliai palaiko skirtingus laikrodžio valdymo režimus, tokius kaip sustabdymo režimas, energijos valdymo režimai (PMM) ir laukimo režimas. Galima persijungti tarp šių režimų, leidžiančių vartotojui optimizuoti prietaiso greitį, o energijos suvartojimą.

Pasirenkamas laikrodžio šaltinis

Krištolinis osciliatorius yra didelis bet kokio mikrovaldiklio galios vartotojas, ypač esant mažos galios veikimui. Žiedinis osciliatorius, naudojamas greitai paleisti iš „Stop“ režimo, taip pat gali būti naudojamas maždaug 3–4 MHz dažnio laikrodžio šaltiniui užtikrinti įprastos veikimo metu. Nors įjungiant vis tiek reikalingas kristalinis osciliatorius, stabilizavus kristalą, prietaiso veikimą galima perjungti į žiedinį osciliatorių, sutaupant net 25 mA energijos.

Laikrodžio greičio valdymas

Mikrovaldiklio veikimo dažnis yra vienintelis didžiausias veiksnys nustatant energijos suvartojimą. Didelio greičio mikrovaldiklių šeima iš mikrovaldiklių palaiko skirtingus laikrodžio greičio valdymo režimus, kurie taupo energiją lėtindami arba sustabdydami vidinį laikrodį. Šie režimai leidžia sistemos kūrėjui maksimaliai taupyti energiją, kuo mažiau paveikiant našumą.

Programinės įrangos vykdymas iš nepastovios atminties ar RAM

Kūrėjai, norėdami įvertinti dabartinį suvartojimą, turi atidžiai apsvarstyti, ar programinė įranga vykdoma iš nepastovių atminties, ar RAM. Vykdant iš RAM galima pasiūlyti mažesnes aktyviosios srovės specifikacijas; tačiau daugelis programų nėra pakankamai mažos, kad būtų galima vykdyti tik iš RAM ir reikalauja, kad programos būtų vykdomos iš nepastovios atminties.

Autobusų laikrodžiai įjungti arba išjungti

Vykdant programinę įrangą, daugumai mikrovaldiklių programų reikia prieigos prie atminties ir išorinių įrenginių. Tam reikia įjungti autobusų laikrodžius ir į tai reikia atsižvelgti atliekant aktyvius dabartinius įvertinimus.

Naudojant vidinį osciliatorių

Naudojant vidinius osciliatorius ir išvengiant išorinių osciliatorių, galima sutaupyti daug energijos. Kai išoriniai osciliatoriai pritraukia daugiau srovės, todėl sunaudojama daugiau energijos. Taip pat nesunku naudoti vidinį osciliatorių, nes išorinius osciliatorius patartina naudoti, kai programoms reikalingas didesnis laikrodžio dažnis.

Išvada

Mažos galios produkto gamyba prasideda nuo MCU pasirinkimo ir yra labai sunku, kai rinkoje yra įvairių galimybių. Dažnio modifikavimas gali turėti didelės įtakos energijos naudojimui ir taip pat suteikti gerą energijos suvartojimo rezultatą. Papildomas dažnio modifikavimo pranašumas yra tai, kad nėra jokių papildomų aparatūros išlaidų ir tai galima lengvai įgyvendinti programinėje įrangoje. Ši technika gali būti naudojama siekiant pagerinti pigių MCU energijos vartojimo efektyvumą. Be to, energijos taupymo kiekis priklauso nuo darbo dažnių, duomenų apdorojimo laiko ir MCU architektūros skirtumo. Naudojant dažnio perjungimo techniką, palyginti su įprastu veikimu, galima sutaupyti iki 66,9% energijos.

Dienos pabaigoje kūrėjams patenkinti padidinto sistemos funkcionalumo ir našumo tikslų poreikius ir padidinti produktų baterijos veikimo laiką yra nemenkas iššūkis. Norint efektyviai kurti produktus, kurie užtikrina kuo ilgesnį akumuliatoriaus tarnavimo laiką arba netgi veikia be akumuliatoriaus, reikia gerai suprasti tiek sistemos reikalavimus, tiek dabartines mikrovaldiklio specifikacijas. Tai yra daug sudėtingiau, nei paprasčiausiai įvertinti, kiek srovės MCU sunaudoja aktyviai veikdamas. Atsižvelgiant į kuriamą programą, dažnio modifikacija, budėjimo srovė, periferinė srovė gali turėti didesnę įtaką baterijos veikimo laikui nei MCU galia.

Šis straipsnis buvo sukurtas siekiant padėti kūrėjams suprasti, kaip MCU vartoja energiją, kalbant apie dažnį, ir juos galima optimizuoti keičiant dažnį.