有哪些低功耗設計方法?單片機系統低功耗設計要點介紹

功耗，已經是一個老生常談的話題了。對于功耗，大家多多少少有所了解。目前，很多產品的宣傳里便帶有低功耗噱頭。為增進大家對功耗的認識，本文將基于兩點介紹功耗：1.低功耗主要設計方法，2.單片機系統低功耗設計要點。如果你對功耗具有興趣，不妨繼續往下閱讀哦。

一、低功耗設計方法

1. 并行結構

并行結構是將1條數據通路的工作分解到2條通路上完成。并行結構降低功耗的主要原因是其獲得與參考結構相同的計算速度的前提下，其工作頻率可以降低為原來的1/2，同時電源電壓也可降低。并行電路結構是以犧牲芯片的面積來降低功耗。如果采用并行結構，可以使工作頻率降為 /2，最壞情況下的延遲可以達到2 ，假定電源電壓降低為 /1.8，由于電路的加倍和外部布線的增加，其等效的電容為2 。

2. 流水結構

電路流水就是采用插人寄存器的辦法降低組合路徑的長度，達到降低功耗的目的。一個先相加再比較的電路中間插人流水線寄存器的流水結構。加法器和選擇器處在2條不同的組合路徑上，電路的工作頻率沒有改變，但每一級的電路減少，使電源電壓可以降低。假設電源電壓為 /1.8，由于加入了流水線寄存器，等效電容變為原來的1.2 。則:由上式可見，采用流水線結構也可以顯著地降低功耗。

電路流水化和并行化可以達到降低功耗的目的，這是因為設計者可以選擇電路的工作電壓。如果電路工作電壓固定，2種方法只能提高電路的工作速度，但功耗將相應地有所增加。

3. 編碼優化

一般可采用One-Hot碼、格雷碼和總線反轉碼降低片上系統總線的功耗。

One-Hot碼在一個二進制數中只允許1個數位不同于其他各數位的值;格雷碼在任何2個連續的數字其對應的二進制碼只有1位的數值不同。由于在訪問相鄰的2個地址的內容時，其跳變次數比較少，從而有效地減少了總線功耗。總線反轉碼是在傳輸數據時考慮相鄰數據之間的關系來決定傳輸的格式。當發送部件向總線上傳輸第 個數據時，會將它和 進行比較，根據比較的結果來決定發送 還是 ，從而減少總線的有效翻轉數，進而減少系統的功耗。

二、單片機系統低功耗設計要點

要滿足單片機系統的低功耗要求，選用具有低功耗特性的單片機可以很容易實現。因為具有低功耗特性的單片機可以大大降低系統功耗，這可以從單片機的供電電壓、內部結構、系統時鐘和低功耗模式等幾方面來考察一款單片機的低功耗特性。一般來講，用戶在選擇技術供應商和產品過程中，需要對下面的一些重要硬件參數進行更加深入的考量：

1. 選擇簡單的CPU內核

選擇CPU內核時切忌一味追求性能，以“夠用就好”為原則。8位機夠用，就沒有必要選用16位機、32位機;單片機的運行速度越快，往往其功耗也越大。一個CPU越復雜、集成度越高、功能越強，片內晶體管越多，總漏電流也越大，即使進入STOP狀態，漏電流也會變得不可忽視;而簡單的CPU內核不僅功耗低，成本也低。

2. 選擇低電壓供電的單片機系統

單片機系統的供電電壓低，可以有效地降低其系統功耗。由于半導體制造工藝的發展，現在單片機的供電電壓從5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V。供電電壓低，不緊可以降低單片機的功耗，還可以降低單片機外圍電路的功耗。

3. 選擇帶有低功耗模式的單片機系統

低功耗模式指的是系統的Idle、Stop和Suspend等模式。處于這些模式下的功耗將遠遠小于正常運行下的功耗。Idle模式下，CPU停止工作，但內部系統時鐘并不停止，單片機的外圍I/O模塊也不停止工作;系統功耗一般降低有限，相當于工作模式功耗的50%左右。

如果在CPU進入Stop模式時，將各個模擬外設關掉，這時的功耗可以降低到nA級。但是在Stop模式下，CPU被喚醒后要重新對系統作初始化，所有特殊功能寄存器的內容將被重新初始化。這在某些低功耗應用場合需要注意。

Suspend模式下，CPU、內部系統時鐘停止工作，I/O模塊等被懸掛起來，片內RAM中存儲的數據將被保持，CPU的功耗可以降低到nA級，由喚醒事件喚醒。當CPU被喚醒后，系統不會被CPU復位，繼續從進入Suspend模式的地方開始執行程序。這是一種非常理想的低功耗模式。

在硬件層面來說，對上面的這些參數進行仔細衡量是十分必要的，除此之外，選擇合適的時鐘方案和使用每MIPS功耗來衡量MCU的低功耗性能也是非常關鍵的。