改善8051系统用电效率的微控制器

这可以由一个内部的时钟分频器来实现，它将外部时钟频率分频后再送入CPU。这种方案已在DS87C520高速微控制器中实现。该器件使用了两种时钟分频系数：功率管理模式1，输入时钟源被64分频；功率管理模式2，输入时钟源被除以1024分频。这些模式或以通过设置特殊功能寄存器中的对应位来实现。

图6对DS87C520高速微控制器的时钟分频器和时钟控制模式加以对比。图6中，全速模式（除以4）、功率管理模式1（除以64）、功率管理模式2（除以1024）、空闲模式及停机模式下的电流消耗形成鲜明对比。正如所料，停机模式吸收最低的电流，因为所内部时钟都被关掉了。两种功率管理模式消耗的电流比空闲模式还低。这不仅降低了器件的功耗，还说明可以让它以较低的水平持续运行。在传统的8051结构中，任何类型的CPU运行只有两个状态：“全部或者没有”。处理器被迫频繁地运行于最高性能水平，尽管只在很短的时间内得到高性能，这会增加一些不必要的功率浪费。功率管理模式（PMM）的使用，使处理器（如系统）能够根据实际性能需求对其功耗进行最优化管理。

6.1 中断和PMM的使用

采用内部时钟分频器可能会带来的问题是，中断延迟会大大增加；另外，内部定时器的减慢会影响8051串口产生或同步标准波特率的能力。这会严重干扰处理器响应外部激励的能力。解决方案之一就是在外部中断或串行口活动被确认后，自动使处理器恢复到完全运行状态。这种方案已经在DS87C520中得以实现。处理器的这种回切功能使其能够迅速响应外部中断。紧随着中断回答，器件将自动切回到全速（除以4）状态，并且不需要软件参与。

串行口的工作方式十分相似。当在串行口接收脚上检测到下降沿（起始位）后，器件将自动切回到全速运行（除以4）。这个过程紧接着数据传送起始，因而器件能够以全速来正确地接收余下的传送数据。对于传统的8051结构，在低功耗配置中使用串口的唯一办法是利用闲置模式。功率管理模式的使用提供了一种更低功耗的替代方案。

6.2 改进突发工作模式

在低功耗设计中，觉见的工作模式是将处理器从停机模式中唤醒，执行一个突发任务，然后再加到停机模式。在这样的系统中，降低功耗的一个手段是提高工作频率。初看起来，似乎匪夷所思。因为在正常工作期间，高频率系统要比低频率系统消耗更多的功率。然而，系统工作时消耗的静态电流与频率无关。在一个最终设计中，通常评估的是其能耗，以便确定电池工作寿命。这一点在评估一个高性能微控制器时尤为关键，因为它综合地考虑了处理时间和处理功率。对于一个给定系统，如果它具有更小功率与时间乘积，那么它的能耗更低；而不必单独考虑两种参数。很多实例显示，高速微控制器由于运行时间更短，实际能耗更低；而处理时间更长的低速处理器正好与此相反。

这一点可以通过图6提到验证。假定从停机模式恢复后，DS87C520读取一个I/O端口，经过算术运行后将结果从另一端口送出，这个过程需要500个机器周期的CPU时间。按图6所示，电流消耗在10MHz时为12.4mA，30MHz时为34.6mA。表1归纳了在两种速度下执行读任务时的能耗情况。从表1中可以看到，30MHz工作时的效率更高，能耗降低6%以上。

表1 执行一个500机器周期的任务时所消耗的能量和处理器速度对比

时钟频率 机器周期 所用机器周期 总时间 Icc 电流时间积 10MHz 400ns 500 200ms 12.41mA 2.48mAs 30MHz 133ns 300 6.5ms 34.66mA 2.30mAs

6.3 跑跑停停

在很多应用中，停机模式以外的时间并不完全取决于运行速度。很多情况下，处理器需要访问一个具有固定响应时间的外围设备，例如A/D转换器或温控器。此种情况下，处理器将有个突发动作。一般是触发某个过程，随后的一段时间内，则只有很少的或根本没任何操作。在这种时候，一种组合的功率节省技术会更为有效。

可以用一个实例来说明在这样一个系统中，采用具PWM的高速微处理器所带来的好处。设想的DS87C520与一片DS1620数字温度计/温控器相接口。这个器件可使用标准8051串口的工作模式0串行访问。主机处理器在某个时刻通过外部中断将DS87C520从停机模式唤醒，并要求它从DS1620中读取温度数据。获得数据后，DS87C520会将其保存于内部存储器中，备随后传送。DS1620的工作类似于很多A/D转换器：发出一个命令后

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