集成電路中真正單片化的單片機解析方案

隨著集成電路技術和工藝的飛速發展，真正單片化的單片機已經成為主流產品。它的絕在部分資源都在單片機芯片內部;過去需要用外部擴展器件才能實現的功能，如 ROM、RAM、A/D、D/A、數字量I/O、顯示驅動等功能，現在在單片機內部就可以完成。單片機真正單片化，省去了大量的硬件開發調試工作，大大地提高了工作效率;系統先天的可靠性、抗干擾能力得到了顯著的改善。經實驗測試，實現同樣功能的系統，采用單片方式比總線擴展方式具有更多的優點。系統不僅功能強、性能可靠、成本降低，而且進一步微型化和便攜化。因此，使用電池作為系統的電源也越來越普遍。系統的最小電源消除和最大的電池壽命就成為主要的技術要求。例如1999年的多國儀器儀表展覽會上，不止一家國外公司展出了使用電池的工業流量計，5～10年都不必更換電池和進行維護。所以低功耗單睡要同的應用有著非常廣闊的天地。低功耗單片機應用符合現代電子終端產品的要求：便攜、節能、可靠等。目前國際上先進的單片機生產廠商，如日本NEC、富士通、愛普森和美國TI等公司都采用了低功耗設計。筆者在一些應用中使用了日本NEC公司的78k0和78K0S系列的單片機，其休眠狀態下的功耗電流可達到 0.05～0.01μA。

1 單片機的低功耗設計技術

1.1 高集成度的完全單片化設計

將很多外圍硬件集成到了CPU芯片中，增大硬件冗余。內部以低功耗、低電壓的原則設計，這給單片機的低功耗設計提供了很強的支持。

1.2 內部電路可選擇性工作

通過特殊功能寄存器選擇使用不同的功能電路，即依靠軟件選擇其中不同的硬件;對于不使用的功能使其停止工作，以減少無效功耗。

1.3 寬電源電壓范圍

先進的單片機芯片工藝特別決定了單片機在很寬的電源電壓范圍內部能正常工作。例如，NEC公司的 78K0和78K0S系列的單片機，可以在 1.8V～5.5V電源電壓范圍內正常工作。單片機供電電壓范圍的放寬，可以進一步拓寬單片機的應用領域，尤其是便攜式或掌上型儀器或裝置，可以放心地使用電池作為電源，而不必關心電過程電壓曲線是否平衡、是否會影響單片機正常工作，更不必因電池供電而專門增加穩壓電路，從而可減少大約1/3的功率消耗。

1.4 具有高速和低速兩套時鐘

系統運行頻率越高，電源功耗就會相應增大。為更好地降低功耗，內部集成了兩套獨立的時鐘系統，高速的主時鐘和32.768kHz的副時鐘。也可在滿足功能需要的情況下按一定比例降低CPU主時鐘頻率，以降低電源功耗。在不需要高速運行的情況下，可選用副時鐘低速運行，進一步降低功耗。通過軟件對特殊功能寄存器賦值可改變CPU的時鐘頻率，或進行主時鐘和副時鐘切換。

1.5 在線改變CPU的工作頻率

可根據CPU處理任務的不同，在外部振蕩器不變的情況下，通過程序改變處理器時鐘控制寄存器PCC的值，在線改變CPU的頻率。CPU在幾種不同頻率下工作的電源功耗比較如圖1所示。

1.6 后備功能

后備功能是為了進一步降低系統功耗。CPU用主時鐘時有HALT(待機)模式和STOP(休眠)模式，用副系統時鐘時有副時鐘運行模式和HALT模式。如表1所示。

表1 NEC單片機后備模式

1.7 內部鐘表定時器

NCE 單片機內部提供了時鐘定時器，每隔0.5s產生一次中斷。在系統處于休眠狀態時，仍可定時被喚醒。對于單片機只須間歇工作、但又需要實時計時功能的應用場合，提供了非常有效的節能方法。CPU在不工作時可進入STOP模式或HALT模式，進入低功耗的后備功能狀態。當時鐘中斷到來時，CPU回到正常工作狀態，進入時鐘中斷處理程序做時鐘更新處理，然后再進入后備功能狀態。

2 單片機應用系統中的低功耗設計主要注意的問題

(1)系統中單片機以外的其它電路器件盡可能選用靜態功耗低的器件，如選用CMOS電路芯片。

(2)外部設備的選擇也要盡可能支持低功耗設計。

(3)設計外部中斷喚醒電路，使單片機在等待時可進入休眠模式或待機模式，需要時由外部中斷信號喚醒。

(4)設計外部器件的電源控制電路，使外部器件或設備在不工作時關斷供電，減少無效功耗。

(5)設計充分利用系統低功耗特點的軟件。