改善8051系統用電效率的微控制器

摘要：一種改進架構的高性能8051設計、外圍功能集成、選用合適的時鐘源以降低功耗；并介紹節省電能的軟件技術及采用待機模式降低功耗的技巧。

    關鍵詞：停機模式 空閑模式 功率管理模式

便攜式產品的功能和性能日新月異。消費者對產品性能的要求也越來越高，需要更強大的運算能力支持；另一方面，希望產品具有更低的功耗。

盡管已經出現了很多功耗處理器，但它們的性能通常很有限。Dallas公司的系列高速微控制器在性能和功耗之間取得了一個很好的折衷，采用了8051架構——世界上最流行的微控制器之一。簡單易用、豐富的I/O資源使這種微控制器深受設計者的喜愛，并被廣泛接受。它的流行勢頭已蔓延到了便攜式領域，在很多應用中都有其用武之地。

本文旨在探討使用8051控制器時，如何降低功率的消耗，重點介紹一種改進架構的高性能8051設計。

1 時鐘頻率

任何微控制器設計中，決定功耗的一個首要因素就是系統的時鐘頻率。互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝的器件功耗直接正比于時鐘頻率。因此，從省電的角度考慮，將處理器運行于盡可能低的頻率比較有利。

圖1表示一個普通的8051微控制器的典型功率曲線，一個被所有便攜系統設計得所熟知的關系。一般來講，電流隨頻率的變化曲線為線性，具有一定的DC偏移。這個靜態電流由片由的靜態電路所消耗，例如比較器、運算放大器等。其數值一般很小（<1mA），是一個不可忽略的固定吸收電流。

任何功率受限的設計都應該考慮采用盡可能慢的運行速度。決定最低系統頻率，也就是最低功耗的，有很多因素，包括期望得到的系統性能、中斷響應延盡等。不管采用什么標準，最終目標是相同的：使器件的工作頻率盡可能地靠近應用的需求。

2 高速內核

要降低基于8051系統的功率消耗，最直接的辦法就是改善微控制器的效率。8051最初的設計采用了一個12時鐘周期、每機器周期兩次取指的架構。然而，高速微控制器采用的是每機器周期4個、甚至1個時鐘的內核。它們具有更高的運算效率，執行一個指令需要很少的時鐘周期，具有更快的運行速度和更高的時鐘頻率。

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