改善8051系统用电效率的微控制器

PSW∝CV2/T     （1）

其中C是接收门输入电容和连线电容的总和，T是时钟信号周期。一个CMOS门的典型输入电容为10pF。尽管很难精确计算出系统的开关功率，但有一点是显然的，每个额外的外部负载或引脚都会给微控制器造成额外的功耗。

基于微控制器的系统通常都会有一定数量的外围器件，例如从餐部的UART和上电昨位电路到看门狗定时器。8051系列的优势之一便是将大量的外围功能集成于片内。除了减少元件数量、简化设计外，外围功能的集成化也有利于降低功耗。可以认为任何外围器件的核心功能消耗的功率是相同的，与它位于处理器的内部还是外部没有关系。然而，将功能放在片内无疑节省了驱动外部总线所需的开关功率。

3.1 内部程序存储器

8051另外一个通常不被视作外设功能单元是程序存储器。所有8051的衍生产品都包含了不同容量的片内程序存储器。这是许多系统设计所期望的，以便减少外围元件数量和印制板面积，同时改善了便携系统的电源寿命。正如前面提到的，集成的程序存储器由于免去了外部总线驱动，因而降低了功耗。采用片内存储器还有另外一个省电的原因。8051架构必须采用一个74373类型的锁存器，以便锁存低字节地址。图3显示采用内部和外部程序存储器时的功耗情况对比。前者采用DS87C520高速微控制器和一个74AC573锁存器，以及一片27C256EPROM，访问时间70ns。第二个系统采用同样的微控制器，工作于内部存储器。两个系统均工作在11.0592MHz，执行一个简单、普通的程序。从图3可以明显看到，高频运行的系统中省掉外部EPROM和锁存器后，可节省多达49mA的电流。

3.2 内部数据存储器

如前所述，采用片内存储器取代外部RAM能够节省电能。80C32衍生产品具有扩充了的临时存储器（256字节），足够小的程序的堆栈操作和数据存储，不必外接RAM。

对于需要更多数据存储器或设置外部堆栈的设计，还需要额外的SRAM。虽然可以找到低功耗的SRAM，在考虑它所带来的功耗时，还应将相关的74373系列锁存器、驱动外部总线的容性损耗等一并考虑在内。

4 时钟源

影响功耗的另一个重要的系统元素是时钟源。标准8051设计通常采用内部振荡器激励一个外部石英晶体产生时钟，或者采用外部晶体振荡器。如果采用外部晶体振荡器，时钟的波形会影响到功耗。如果采用外部晶体振荡器，时钟的波形会影响到功耗。XTAL1引肚子内的输入级用来将外部时钟信号输入8051内核，通常采用互补式驱动器。随着输入时钟在高、低电平之间的跳动，驱动器中的互补对管会有一个短时间的同时开通过程，造成显著的电流浪涌。对于矩 形波来说，高、低状态之间的过渡过程非常短暂，两管同时开通的时间最短。对于上升和下降时间比较长的波形，例如正弦或三角波，过渡过程比较长，驱动器两管同时开通的时间也更长。这将会增加电流和功耗。

图4表示电流消耗和波形的关系。时钟源是一个可编程波形发生器，可以产生正弦波、三角波或方波。图4显示的电流是4个器件的平均值，包括传统的和改进的高速处理核。比较发现电流消耗直接正比于时钟波形的上升（和下降）时间。三角波具有最小的斜率，而矩形波斜率最大。采用矩形波时的电流平均要比三角波低0.75mA。这预示着在用外部时钟振荡器时，采用上升和下降时间更快的振荡器将有利于降低电流功耗。这一点在较低频率下尤为重要，此时器件需要花费更多的时间用于过渡过程。

有些8051衍生产品包含了一个片内的环形振荡器。通常是一串反相器，脉冲在其中传播。它可以提供一个2～4MHz的内部时钟源，驱动器件。由于不需要使用晶体，这种振荡器是功耗很低的时钟源。从DS87C520高速微控制器的特性可以看出，工作于环形振荡器时，能够提供等同于7MHz8051的性能，而功耗仅有3.6mA。虽然环形振荡器没有压电式晶体那样稳定，它们的低拉耗以及可以忽略的上电延迟在功率管理方面占有显要位置。

5 时钟管理

微控制器的工作频率是影响器件功耗最重要的一个因素。虽然系统的时钟频率主要取决于硬件配置，8051还是提供了一些有限的控制手段。这些手段减缓或终止器件全部或部分单元的工作时钟。传统的8051架构采用了两种控制