Spansion® 模拟和微控制器产品 本文档包含有关 Spansion 模拟和微控制器产品的信息。尽管本文档内有原来开发该产品规格的公司名称 “富士通”或 “Fujitsu”， 该产品将由 Spansion 提供给现有客户和新客户。 规格的延续 本文档内容并不因产品供应商的改变而有任何修改。文档内容的其他更新，均为改善文档而进行，并已记录在文档 更改摘要。日后如有需要更改文档，其更改内容也将记录在文档更改摘要。 型号的延续 Spansion 将继续提供型号以“MB”开始的现有产品。如欲订购该类产品，敬请使用本文档内列出的产品型号。 查询更多信息 如欲查询更多关于 Spansion 存储器、模拟产品和微控制器产品及其解决方案的信息，请联系您当地的销售办事 处。 书末出版说明 本文档介绍的产品，其设计、开发和制造均基于一般用途，包括但不限于普通工业使用、普通办公使用、个人使用及家庭使用，不应用于：(1) 存在严重风险或危险，除非能够保证极高的安全性，否则可能对公众造成严重影响，甚至可能直接造成死亡、人员伤害、物品损坏或其他损失 的用途（如核设施的核反应控制、飞机飞行控制、空中交通控制、公共交通控制、医学生命支持系统、武器系统的导弹发射控制），或者(2) 不 允许出现故障的用途（如潜艇中继器和人造卫星）。请注意，对于您和 / 或任何第三方由于将产品用于上述用途而造成的任何索赔和损失， Spansion 不承担任何责任。任何半导体设备都可能发生故障。您必须在自己的设施和装置中加入安全设计措施，如冗余、防火、防止电流过 载及其他异常运行情形等，以防由于此类故障而造成伤害、损坏或损失。如果根据日本 Foreign Exchange and Foreign Trade Law、美国US Export Administration Regulations 或其他国家（地区）的适用法律的规定，本文档中介绍的任何产品是在出口方面受到特别限制的商品或技术，则这 些产品的出口必须预先得到相关政府的许可。 商标和声明 本文档的内容如有变更，恕不另行通知。本文档可能包含Spansion 正在开发的 Spansion 产品的相关信息。 Spansion 保留变更任何产品或停 止其相关工作的权利，恕不另行通知。本文档中的信息 “ 按原样 ” 提供，对于其精确性、完整性、可操作性、对特定用途的适用性、适销性、 不侵犯第三方权利等不提供任何担保或保证，也不提供任何明确的、隐含的或法定的其他担保。对于因使用本文档中的信息而造成的任何形式 的任何损失，Spansion 不承担任何责任。 版权所有© 2013 Spansion Inc. 保留所有权利。Spansion®、Spansion 标识、MirrorBit®、MirrorBit® Eclipse™、ORNAND™ 以及它们的组合， 是Spansion LLC 在美国和其他国家（地区）的商标和注册商标。使用的其他名称只是一般性参考信息，可能是其各自所有者的商标。 富士通半导体（上海）有限公司 应用笔记 MCU-AN-500074-Z-13 F²MC-8FX 家族 8 位微型控制器 全系列 低功耗策略 应用笔记 低功耗策略 V1.3 修改记录 修改记录 版本 日期 作者 修改记录 1.0 2009-12-07 Edison, Zhang 初稿 1.1 2009-01-08 Jacky, Zhou 增加细节描述 1.2 2009-01-12 Jacky, Zhou 增加 3.3.4 节 1.3 2009-01-14 Jacky, Zhou 更新错误表达 本手册包含19页。 1. 本文档记载的产品信息及规格说明如有变动，恕不预先通知。如需最新产品信息和/或规格说明，联系富士 通销售代表或富士通授权经销商。 2. 基于本文档记载信息或示意图的使用引起的对著作权、工业产权或第三方的其他权利的侵害，富士通不承 担任何责任。 3. 未经富士通明文批准，不得对本文档的记载内容进行转让、拷贝。 4. 本文档所介绍的产品并不旨在以下用途: 需要极高可靠性的设备，诸如航空航天装置、海底中继器、核控 制系统或维系生命的医用设施。 5. 本文档介绍的部分产品可能是“外汇及外贸管理法”规定的战略物资(或专门技术)，出口该产品或其中部 分元件前，应根据该法获得正式批准。 版权©2009 富士通半导体(上海)有限公司 MCU-AN-500074-Z-13- 第2页 低功耗策略 V1.3 目录 目录 修改记录.................................................................................................................................. 2 目录 ......................................................................................................................................... 3 1 概要 .................................................................................................................................... 5 2 低功耗策略 ......................................................................................................................... 6 3 硬件策略 ............................................................................................................................. 7 3.1 选择低电源电压 ......................................................................................................... 7 3.2 选择低功耗时钟 ......................................................................................................... 8 3.3 3.2.1 采用合适的时钟 ........................................................................................... 8 3.2.2 时钟模式的切换 ........................................................................................... 9 选择低功耗模式 ....................................................................................................... 11 3.3.1 待机模式和时钟模式的内部运行状态 ......................................................... 11 3.3.2 待机模式的功耗 ......................................................................................... 12 3.3.3 不同待机模式间的切换 .............................................................................. 13 3.3.4 低功耗的时钟设置实例 ................................................................................... 14 4 软件策略 ........................................................................................................................... 15 4.1 采用中断而不是查询 ................................................................................................ 15 4.2 采用宏而不是子程序 ................................................................................................ 15 4.3 减少计算 .................................................................................................................. 16 4.4 4.3.1 查询表 ....................................................................................................... 16 4.3.2 精度满足后停止计算 .................................................................................. 16 4.3.3 采用合适的数据类型 .................................................................................. 16 4.3.4 采用Fujitsu Math API ................................................................................. 17 关闭未使用的模块 ................................................................................................... 17 MCU-AN-500074-Z-13 - 第3页 低功耗策略 V1.3 目录 5 更多信息 ........................................................................................................................... 18 6 附录 .................................................................................................................................. 19 MCU-AN-500074-Z-13- 第4页 低功耗策略 V1.3 第 1 章概要 1 概要 本文档介绍了所有 F²MC-8FX 家族 8 位微型控制器系列 MCU 的低功耗策略。 其中主要介绍了减少功耗的方法并研究了 LPC MCU 的功耗情况。 MCU-AN-500074-Z-13 - 第5页 低功耗策略 V1.3 第 2 章低功耗策略 2 低功耗策略 降低功耗的主要目的是减少系统成本，同时延长嵌入式应用，特别是便携式设备的电池寿命。 对于基于 MCU 的嵌入式应用，既可以通过硬件也可以通过软件的方法减少系统功耗。 MCU-AN-500074-Z-13- 第6页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 3 硬件策略 3.1 选择低电源电压 通过减少 MCU 的电源电压可以有效降低功耗。如表 3-1 所示， LPC MCU 工作电压的范围为 2.4V -5.5V。 表3-1：工作条件描述 Parameter 值 符号 电源电压 单位 最小值 最大值 2.4 5.5 正常运行 2.3 5.5 停止模式 2.9 5.5 2.3 5.5 -40 +85 +5 +35 VCC 工作温度 TA 备注 V 正常运行 除片上调试外 片上调试 停止模式 Ԩ 除片上调试功能外 片上调试功能 如果采用低电源电压，系统电流将大大减少。电源电压越低，系统功耗就越低。因此，只要能 达到系统要求，最好选择低的电源电压。 目前，大多数 MCU 系统的电源电压为 5V。在过去的五年里，3V 和 2V 的 MCU 系统的数量 也在不断增加。今后，低电源电压 MCU 系统的数量将超过 5V 的 MCU 系统。减少 MCU 的电 源电压是一个重要的趋势。 MCU-AN-500074-Z-13 - 第7页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 3.2 选择低功耗时钟 3.2.1 采用合适的时钟 F²MC-8FX 家族 8 位微型控制器系列 MCU 有四个时钟源：主时钟，主 CR 时钟，副时钟以及 副 CR 时钟。 主时钟模式 主时钟用作 CPU 及外围功能的机器时钟。时基定时器使用主时钟。计时预分频器使用副时钟 （双外部时钟产品）。 幅时钟模式（双外部时钟产品） 主时钟摆动停止，副时钟用作 CPU 和外围功能的机器时钟。在该模式下，时基定时器停止， 因为其操作需要主时钟。 主 CR 时钟模式 主 CR 时钟用作 CPU 和外围功能的机器时钟。时基定时器和看门狗定时器使用主时钟。计时 预分频器使用副时钟（双外部时钟产品）。 副 CR 时钟模式（双外部时钟产品） 主时钟动摆动停止，副时钟用作 CPU 和外围功能的机器时钟。在该模式下，时基定时器停 止，因为其操作需要主时钟。计时预分频器使用副 CR 时钟。 使用主 CR 时钟和副 CR 时钟的优点是节省外部水晶，减少硬件成本。缺点是精度不够高，且 功耗高。参见相关硬件手册和数据表了解更多关于如何选择合适时钟的详细信息。 MCU-AN-500074-Z-13- 第8页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 3.2.2 时钟模式的切换 有时如果只采用一种时钟模式，也许不能满足系统功能和低功耗的要求。因此富士通 MCU 采 用全部四种时钟模式或者部分模式。MCU 可在这些模式之间切换以满足不同的要求。图 3-1 和图 3-2 显示了这些模式之间的切换。 图3-1：时钟模式状态切换图（双外部时钟产品） MCU-AN-500074-Z-13 - 第9页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 图3-2：时钟模式状态切换图（单外部时钟产品） MCU-AN-500074-Z-13- 第10页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 3.3 选择低功耗模式 F²MC-8FX 家族 8 位微型控制器系列 MCU 的低功耗模式（待机模式）包括：休眠模式、时基 定时器模式、计时模式和停止模式。待机模式的功耗低于运行模式。 MCU 可被简单划分成以下模块：主时钟、主 CR 时钟、副时钟、副 CR 时钟、 CPU、 ROM、 RAM、I/O 端口、时基定时器、计时预分频器、外部中断、硬件看门狗定时器、软件 看门狗定时器、低压检测重置、以及其他外围功能。 3.3.1 待机模式和时钟模式的内部运行状态 所有模块同时工作时，功耗最高。在运行模式下，大多数模块同时工作，因此功耗较高。在待 机模式下，只有部分模块工作，因此功耗较低。 以 MB95200/210 系列为例，表 3-2 和表 3-3 显示了在运行模式和休眠模式下不同时钟模式的 操作状态。 表3-2：待机模式和时钟模式的组合以及内部运行状态（1） MCU-AN-500074-Z-13 - 第11页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 表3-3：待机模式和时钟模式的组合以及内部运行状态（2） 3.3.2 待机模式的功耗 以 MB95F264 为例，不同的待机模式功耗也不尽相同。表 3-4 列出了各种待机模式的功耗。 表3-4：待机模式的功耗 模式名称 功耗 电压 时钟频率 温度 典型值 最大值 休眠方式 5.5 mA 9 mA 5.5 VCC 32MHz +25Ԩ 停止方式 3.5μA 22.5μA 5.5 VCC 32kHz +25Ԩ 时基定时器模式 1.1 mA 3 mA 5.5 VCC 32MHz +25Ԩ 5μA 30μA 5.5 VCC 32kHz +25Ԩ 计时模式 MCU-AN-500074-Z-13- 第12页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 3.3.3 不同待机模式间的切换 有时如果只采用一种时钟模式，也许不能满足系统功能和低功耗的要求。因此除了运行模式， 可采用全部四种时钟模式或者部分模式。MCU 可在这些模式之间切换以满足不同的要求。图 3-3 和图 3-4 显示了这些模式之间的切换。 图3-3：待机模式状态切换图（双外部时钟产品） MCU-AN-500074-Z-13 - 第13页 低功耗策略 V1.3 第 3 章硬件策略 图3-4：待机模式状态切换图（单外部时钟产品） 3.3.4 低功耗的时钟设置实例 以下是两个简单的例子。 汽车警报器在正常运行状态下选择主时钟为 MCLK 时钟，进入休眠模式后切换至副时钟 （32.768 KHz）。 烟雾检测器或其他低频系统选择 200K 的副 CR 时钟作为 MCLK 已足够。这类系统只需要在非 常低的频率下工作，且不关注实时功能。 MCU-AN-500074-Z-13- 第14页 低功耗策略 V1.3 第 4 章软件策略 4 软件策略 合适的软件可减少功耗，这点常被用户忽略。在减少功耗方面，很难在软件上找缺陷，并且目 前没有的严格标准来判断软件是否有低功耗特征。然而，还是有些方法可避免由软件缺陷导致 的不必要功耗。 4.1 采用中断而不是查询 对简单应用来说，采用中断或查询并不重要，但是对低功耗系统来说很重要。使用中断时， CPU 不需要做任何事，甚至进入停止模式（低功耗模式）。使用查询时，CPU 必须连续访问 输入/输出寄存器，因此会产生更多功耗。 4.2 采用宏而不是子程序 我们都知道访问 RAM 会比访问 FLASH 产生更多功耗。使用子程序需要四个步骤。 1 保存参数至堆栈。 2 保存寄存器至堆栈。 3 保存结果。 4 恢复寄存器。 这四个步骤需要访问 RAM。要解决这个问题，可使用宏而不是子程序。这样就不需要执行访 问 RAM 的四个步骤。但是有一个问题，代码的长度增加了。幸运的是 F²MC-8FX 家族 8 位微 型控制器系列 MCU 的闪存大小为 4K -60K 字节，可选择不同的 MCU 来满足不同的应用。 MCU-AN-500074-Z-13 - 第15页 低功耗策略 V1.3 第 4 章软件策略 4.3 减少计算 目前有多种方法可用于减少 MCU 计算。 4.3.1 查询表 首先获取计算数据结果，制成数据表，并保存至 MCU 的闪存中。然后，MCU 通过查询数据 表获取数据。这样，将减少大量实时计算，从而降低功耗。 4.3.2 精度满足后停止计算 有时必须进行一些实时计算，如果有精度要求，可在精度满足后停止演算。这样将减少很多不 必要的实时计算，从而减少功耗。 4.3.3 采用合适的数据类型 采用合适的数据类型，例如使用 8 位数据，而不是 16 位数据，使用分数计算到而不是浮点数 计算。这样将减少一些不必要的计算，从而减少功耗。 MCU-AN-500074-Z-13- 第16页 低功耗策略 V1.3 第 4 章软件策略 4.3.4 采用Fujitsu Math API 采用 Fujitsu Math API，而不是 Fujitsu 编译器自带的 Math Lib。 Fujitsu Math API 适用于所有系列的 F²MC-8FX 8 位微型控制器。Math API 能更高效率地进行 计算。 参见 MCU-AN-500073-E-14 以及相关工程了解更多详细信息。 表 4-1 列出了 Fujitsu Math API 的性能。这样将减少很多不必要的计算，从而减少功耗。 表4-1：数学 API 和富士通 C 编译器自带的数学 Lib 的性能比较 C Compiler Math Lib Math API 计算 次数 MCLK ROM RAM 次数 MCLK ROM RAM UChar*Uint 10 252 127 10 2 87 40 8 UInt*Uint 10 252 127 10 4 168 88 10 ULong*Uchar 10 252 127 10 4 157 79 12 ULong*Uint 10 252 127 10 7 212 107 12 ULong/Uchar 0 1614 238 12 0 1327 80 12 ULong/Uint 0 1614 238 12 0 1320 76 12 注： 1 Times：API 使用 MULU/DIVU 的次数 2 MCLK ：Math API 使用的机器时钟个数 3 ROM ：Math API 使用 ROM 的字节数 4 RAM ：Math API 使用 RAM（堆栈）的字节数 4.4 关闭未使用的模块 要减少功耗，可关闭未使用的 MCU I/O 和外围功能，并及时关闭不连续使用的 MCU I/O 和外 围功能。 一些外围模块，例如 RS232 模块，会消耗功率。因此，可使用 1 个 I/O 对其进行引脚控制。 模块未使用时，其电源将被 MCU 关闭。 设置未使用的 I/O 引脚至输入/输出，通过上拉电阻上拉至 Vcc。因为如果这些引脚没有被初始 化，将增加电流泄漏。 MCU-AN-500074-Z-13 - 第17页 低功耗策略 V1.3 第 5 章更多信息 5 更多信息 关于富士通半导体更多的产品信息，请访问以下网站： 英文版本地址： http://www.fujitsu.com/cn/fsp/services/mcu/mb95/application_notes.html 中文版本地址： http://www.fujitsu.com/cn/fss/services/mcu/mb95/application_notes.html MCU-AN-500074-Z-13- 第18页 低功耗策略 V1.3 第 6 章附录 6 附录 表 3-1：工作条件描述 .............................................................................................................. 7 表 3-2：待机模式和时钟模式的组合以及内部运行状态（1）................................................. 11 表 3-3：待机模式和时钟模式的组合以及内部运行状态（2）................................................. 12 表 3-4：待机模式的功耗......................................................................................................... 12 表 4-1：数学API 和富士通C 编译器自带的数学Lib的性能比较 .............................................. 17 图 3-1：时钟模式状态切换图（双外部时钟产品） ................................................................... 9 图 3-2：时钟模式状态切换图（单外部时钟产品） ................................................................. 10 图 3-3：待机模式状态切换图（双外部时钟产品） ................................................................. 13 图 3-4：待机模式状态切换图（单外部时钟产品） ................................................................. 14 MCU-AN-500074-Z-13 - 第19页