待机操作

(1)引言
在设计产品时，电源储备的概念并不仅仅用于移动设备: 几乎对于所有产品都是一个重要部分。
数字电路中的半导体也是这样，PMOS电路（相对容易生产）、 NMOS和双极型电路（适用于高速系统）正在被CMOS电路（能以更小的电流操作）取代。由于工艺的革新使电路规模小型化，大规模集成电路的操作电流也在降低。 并且，大部分先前由多个集成电路或晶体管组成的设备目前已经用单独的大规模集成电路实现。因此，总体上看，系统的功耗已经大幅降低(尽管系统已经变得更复杂)。
然而，尽管全球趋势是节能，但是简单地通过大规模集成电路小型化来降低操作电流却越来越困难。应该考虑从使用的角度采取新的措施。于是我们引入了待机功能。

[Coffee Break] 让我们回顾一下当8位单片微控制器首次面世的那个阶段。 那段时间，每次开发一个新的微控制器时，就创建一个评估系统与标准的集成电路相结合，来检测电路的操作。第1次开发时，系统的5 V电源需要约35 A的操作电流。通过电路设计改进和对集成电路的重新测试，最终可以降低到约20 A。当时目标微控制器的操作电流约为200 mA，这样就意味着节约了1/100的能源。 直接进行比较是不可能的，但是目前8位微控制器有许多优越的性能和功能，而操作电流在大多数情况下还是属于单值范围。 [细节] 我曾经接触过8080A（早期），早期著名的微控制器，差点烧到了我的指头。我猜测这也是自然的，因为当时尽管外部电压是5 V，但集成电路则被强制在内部12 V电压下操作，以此来提高速度。 即使在那之后，仍然有几种微控制器，如8224,包含CPU外围设备，会使微控制器热得难以接触。

(2)功耗机制
目前大多数微控制器都使用CMOS电路，这里的介绍主要针对这类情况。内部电路的基础，变压器，包括两个晶体管：一个P-ch晶体管和一个N-ch晶体管，上下结构，如下图(a)所示。在图(b)中，顶部的P-ch晶体管状态为ON，而底部的N-ch晶体管状态为OFF，这样输出为 "H"。在图(c)中，顶部的P-ch晶体管状态为OFF，而底部的N-ch晶体管状态为ON，这样输出为"L"。在这些状态中，OFF状态的晶体管进入高阻抗状态，这样很少有电流流过。换句话说，如果这种状态一直持续下去， 功耗就可以忽略。
再看另一种情况，当信号变化时电流的流动。如图(d)所示，如果添加了负载电容（实际上配线电容总是被添加）, 为了给电容充电，需要额外的电流。



用水的概念来比喻电流的概念，考虑变压器，象阀一样操作。从顶部倒入水，由阀控制水流。可以把阀的状态比作变压器的状态。在变压器的"H"状态中，顶部的阀被打开，底部的阀被关闭；在 变压器的"L"状态中，顶部的阀被关闭，底部的阀被打开。当状态由"H"变为"L"时，水的总量如图中最右边所示。该水量可以 比作功耗。
如上图(d)所示添加了负载电容后，阀右边显示的水量增加，进而增加了流动的水量。



(3)待机功能
在大多数应用中，微控制器不需要一直操作；有些时候是空闲的(如，当微控制器等待输入或等待定时器设置的时间到时)。在这段时间微控制器的操作是浪费功率。这就是为什么现在的微控制器都有待机功能，即在不需要使用微控制器时停止其操作。该功能有不同的名称，包括"睡眠"，根据是否停止操作，可以划分成不同的模式。
多数情况下有三种模式，具有以下功能。大多数微控制器一般具有(a)和(c)模式。
(a) HALT模式 (只停止执行CPU指令)
(b) IDLE模式 (也停止时钟)
(c) STOP模式 (停止时钟振荡，即停止了大部分功能)

尽管以前仅考虑操作期间的性能，但现在待机期间的性能已成为许多设备设计中需要关注的问题。特别是随着移动设备应用的增多，使得制造商重点关注设备不工作期间的性能。这一问题越来越受到重视。

[Coffee Break 2] 如果功耗能够受到关注，而不是简单地对未使用部分停止时钟，那么许多微控制器马上就可以提供一些解决方法，如在未使用期间切断电源。微控制器也正表现出多种内部功能，如A/D转换器，仅在使用时才提供需要的电源。 [细节] 由于目前微控制器具有大范围节电的功能，所以在DC特性规范表中需要更大的篇幅来描述供电电流的规范。在这之前的微控制器规范说明中，供电电流参数描述仅占几行，而现在满满一页都是很普遍的。这样要判断什么时间使用什么样的规范就更困难了。

(4) HALT模式
在最早的微控制器中该功能就已经普遍使用了，实际上就是通过1条指令来停止指令的执行。在早期的微控制器中，该功能仅仅是使微控制器等待中断输入，与降低操作电流没有关系。然而，自从引入了CMOS电路，通过停止CPU指令的执行就可以降低操作电流，因此HALT已成为待机模式的一种，用于节电。
在这种模式中，只停止CPU操作；其它电路都继续工作。因此电流只占正常操作电流的一小部分。 不过内部的外围功能是可操作的，而且一旦释放待机模式，CPU就马上恢复操作(立即唤醒)，这在要求高速响应的情况下是有优势的。 

[Coffee Break 3] 微控制器应用不同，待机功能也有所不同。例如，有些微控制器用于仪表，具有子时钟操作HALT模式，可以使供电电流降低到微安范围。

(5) IDLE模式
不象HALT模式只停止CPU操作，在IDLE模式中，提供给其它部分的时钟也停止操作。这就意味着IDLE模式中的操作电流可以降低到不足HALT模式中的1/10。
时钟自身的振荡继续，这样操作电流仍然比STOP模式中的要大。但是由于时钟一直振荡，因此如果从外部输入待机释放信号，则可以立即恢复操作。

(6) STOP模式
在STOP模式中，由于停止了系统操作时钟的振荡，操作电流可以降低到几十个微安范围。
STOP模式的缺点是，当释放待机模式时，必须恢复时钟振荡，而正常操作要等到时钟振荡稳定后才能恢复(这就象人早晨起床后由于低血压不能正常行动一样)。因此，当待机模式释放和操作完成之间的时间要求有限时 ，不能使用STOP模式。

(7) 小结
下表列出了每种待机模式的特征。请注意该表仅用于一般情况。

	停止部分	内部外设	操作电流	唤醒
HALT模式	仅CPU	可操作	中等	快
IDLE模式	时钟供应	部分可操作	低	快
STOP模式	时钟振荡	多数操作停止	很低	慢

[Coffee Break 4] 在电子规范文档中，STOP模式的供电电流的规范说明中指明了所有时钟的状态，包括用于钟表定时器的子时钟，完全被停止。但在许多系统中，执行STOP指令时，钟表定时器仍然工作。尽管有时把这种状态称为STOP模式，但它与规范中描述的实际的STOP模式还是有区别。在这种状态下， 应用的供电电流规范实际上是用子时钟操作的HALT模式。由于子时钟正在操作，供电电流约为实际STOP模式中的两倍。

(8) 节约能耗的其它技术
正如功耗机制描述中提到的，CMOS操作电流根据状态的变化而变化。因此，根据节电的不同，我们从两个方面考虑，一个是减少操作的时钟，一个是子时钟的操作。微控制器的操作速度取决于供电电压，因此如果操作时钟的频率很低，则可以通过使用较低的供电电压进一步降低操作电流。  
下图显示了在微控制器的每种操作模式中供电电压与操作电流之间的关系。最上面一行是指当微控制器高速操作时的情况，而第二行是指当微控制器低速(高速模式下速度的1/4)操作时的情况。 最下面两行是指当微控制器使用子时钟操作(此时系统时钟振荡停止)时的情况。其余两行是指HALT模式下的操作。你会发现操作电流是如何随操作时钟频率和供电电压而变化的。



(9) 备注
(a) 怎样计算功耗
要计算功耗，我们首先看一下使用待机功能时如何估计功耗(操作电流)。
基本上，功耗主要通过每种模式（微控制器正在操作）中电流的平均时间来计算。由于操作电流随微控制器（设备）不同而变化，因此在大多数情况下不需要这样严格计算功耗。在下面的例子中，如果高速操作期间操作电流为I₁，高速模式中时间长度为t₁，待机操作期间的操作电流为I₂，待机模式中的时间长度为t₂，低速操作期间操作电流为I₃，低速模式中的时间长度为t₃，则消耗的平均电流为:
平均电流 = (I₁ * t₁ + I₂ * t₂ + I₃ * t₃) / (t₁ + t₂ + t₃)



(b) 注意事项/注

• 待机释放时的电流
  在使用待机功能时，尤其是STOP模式时，一定要注意在释放待机模式后时钟振荡恢复时稳定振荡所需的时间。这个时间段很短，但是由于启动时钟振荡时电流很大，因此必须考虑同样情况下正常操作时的电流。
  (早晨如果出现低血压，人就会挣扎着要走。同样道理，微控制器一旦停止操作就试图重新启动。)
  
  
• 待机释放触发器
  中断使系统从待机模式返回正常操作状态（待机释放）。有几种不同的中断，包括内部中断如基于定时器的中断、由外部中断请求信号触发的中断，以及由外设串行通信结束触发的中断。用于释放待机模式的中断根据使用的待机功能的不同而有所不同。内部中断不能用于释放STOP模式，必须使用外部中断请求信号。但是，由于有些外部中断请求信号只能在时钟操作时使用，所以要特别小心。
  
  
• 看门狗定时器
  看门狗定时器是最难和待机模式结合的。在两种主要的情况下会出现问题。一是当看门狗定时器正在操作时（即使CPU已进入待机模式）。在这种情况下，必须释放待机模式，留有足够的时间将看门狗定时器清零。
  另一种情况是，在待机模式中，当看门狗定时器的计数时钟停止操作时。在这种情况下，待机释放时序不会出现大问题，需要注意的是系统要使用看门狗定时器的功能来防止死锁。
  因此，需要预先仔细检查在待机模式中看门狗定时器会出现什么问题。
  
  
• 当系统使用组合的操作时钟时出现的问题
  我们已经描述了三种主要的待机模式，但也要注意许多新的微控制器具有使用内部振荡器（根据设备不同，有多种振荡器，有些可以停止，有些不能停止）操作的时钟。在这些微控制器中，使用的待机模式和进入待机模式的方式随微控制器的操作时钟的 不同而有所变化。例如，当系统以主时钟操作时，通过执行STOP指令可以停止主时钟振荡，但是如果系统以其它时钟操作，则不能使用STOP指令。在这种情况下，必须通过寄存器设置来控制待机模式。
  同样，当切换时钟时，必须结合时钟振荡来控制待机模式。如果在系统以子时钟操作时指定主时钟的振荡来恢复，并且立即将操作时钟从子时钟切换到主时钟，则可能会产生挂起，因为系统试图使用的操作时钟没有正常振荡。(如果由于执行STOP指令停止时钟振荡，则通过中断释放待机模式时所需的振荡稳定时间可由硬件保证，但是如果已经通过程序设置了振荡，则必须通过软件保证所需的振荡稳定时间。)

记住这些要点，我们希望你能达到节电的目标。