改善8051系统用电效率的微控制器

停机模式是8051设计得所能利用的最低功耗状态。在该模式下，内部振荡器停振，器件中止工作。脱离停机模式通常靠外部复位。某些变种也可以通过外部中断退出停机模式。

停机模式有一个缺点，就是在晶振恢复工作的一个死时间内的功耗问题。晶体振荡器的工作依赖于石英晶体的振动。物理层限性决定了晶体振荡器必须有一个确定的时间，才能达到足够的振荡器幅度来驱动器件工作。这个预热过程不管采用内部振荡器还是外部振荡器都会存在。时间大约在3～12ms，与晶体和振荡器的性能有关。

预热过程对于功耗的作用在于，在此阶段器件不执行任何有用的工作，但仍要消耗功率。如果器件频繁地进入和退出停机模式，或者退出停机模式后只执行很短时间的任务，这种效应会变得格外显著。事实上，如果任务非常短（<5ms），晶振启动期间消耗的能量甚至会超过执行任务本身的消耗。如果采用环形振荡器来实现从停机模式到快速启动，就可避免这种延迟。这将大幅降低退出停机模式时的功率消耗。

    图5表示两个系统退出停机模式并执行一个短任务时的工作情况。其中一个器件包含一个内置的环形振荡器，另一个使用传统的外部晶振。没有环形振荡器的器件必须经历一个晶振预热期。在此期间器件不断地消耗功率，却没有做任何有用的工作。第二个器件是一片DS87C520高速微控制器，片内包含一个环形振荡器。这就允许器件在退出停机模式时能立即恢复工作。在本例中，程序执行4ms以内，间隔大约为2MHz。正如图5所看到的，当需要退出停机模式执行短任务时，采用环形振荡器可以大幅减少能量消耗。

某些应用中，在退出停机模式后不久，要求时钟具有晶振的稳定度。这种情况下，环形振荡器仍不失其优越性。紧随着停机模式的退出，控制器应该立即启动是晶体振荡器。随后可以在晶振的预热期控制器初始化一些必要的数据或寄存器。多数高速微控制器可以用一个状态位来标示晶体振荡器是否达到稳定。一旦完成了晶振代码的初始化进程，软件可以查询状态位，以决定是否着手高精度定时操作。

另外一个改善停机模式效率的方法是采用中断而不是复位方式来唤醒控制器。这种方式使处理器能够紧接着设置STOP位的指令立即恢复工作，而不是从复位向量重新启动。这样就免去了对复位原因的判断，允许处理器在最短的时间内开始有用的工作。

5.2 空闲模式

空闲模式是早期8051架构使用的第二个时钟管理模式。该模式中止了CPU的运行，但片内的通用定时器保持工作。在功率敏感的应用中，这个定时器被用于周期性地唤醒处理器去执行任务，或者去判断是否该执行某个任务。

由于标准的8051定时器为16位，采用16MHz的时钟频率时，最大定时周期只有31ms。如果需要更长的周期，就需要定时器多次溢出。这会消耗额外的功率，因为处理器必需频繁地恢复全速工作来累积计数，但没有执行任何有用的工作。

对于比较长的周期，最好采用比较长定时周期的内部定时器。有些8051衍生产品包含了一个看门狗定时器，也可被用来唤醒处理器。看门狗定时器可被编程为比较长的定时，可达256个时钟周期。在16MHz的频率下能够提供4.2s的最长延时。假设某应用希望每幅3s从低功耗状态唤醒，去执行任务。如果采用内部定时器去定时，处理器将不得不退出空闲模式96闪而不作有用的工作。如果采用长定时周期的看门狗定时器，则处理器只需要在执行任务的时候退出空闲状态，完成任务后再次到低功耗状态。

还有一个选择就是采用带有实时时钟（RTC）的微处理器。DS87C530高速微处理器内置的RC能够产生周期长达24小时的闹钟信号。由该闹钟产生的内部中断可将处理器从空闲或停机模式中唤醒。利用RTC退出停机模式对于需要长时间挂起的系统来讲是最为有效的方式。

6 功率管理模式

尽管空闲模式通过挂起运行程序而使功耗得以降低，内部定时器仍在以外部时钟的频率连续运行。这会消耗掉数量可观的功率。试想一下，是否可以让定时器工作于基本上接近待机的状态。

一个比较好的办法是降低整个器件的时钟频率。