- Per què modificar la freqüència de rellotge als microcontroladors?
- Quin és l’efecte de seleccionar diverses freqüències sobre el rendiment?
- Baixa o alta freqüència, quina seleccionar?
- Tècnica de commutació de freqüència de rellotge
- Selecció de modes de funcionament de la gestió del rellotge
- Execució de programari a partir de memòria o memòria no volàtil
- Utilitzant l’oscil·lador intern
- Conclusió
Els desenvolupadors sempre tenen problemes per oferir alts nivells de funcionalitat i rendiment, alhora que maximitzen la durada de la bateria. A més, quan es tracta de productes electrònics, la característica més important és el consum de bateria. Hauria de ser el mínim possible per augmentar el temps de funcionament del dispositiu. La gestió de l’energia és molt important en aplicacions portàtils i amb bateria. Les diferències en el consum de microamperes poden provocar mesos o anys de vida útil que poden augmentar o disminuir la popularitat i la marca del producte al mercat. L'augment dels productes exigeix una optimització més eficient de l'ús de la bateria. Avui en dia, els usuaris exigeixen una còpia de seguretat de la bateria més llarga amb una mida compacta de productes, de manera que els fabricants se centren en una mida de bateria més petita amb una durada de bateria molt llarga, que és una tasca qüestionable. Però,els desenvolupadors han creat tecnologies d'estalvi d'energia després d'haver passat molts factors i paràmetres crítics que afecten la durada de la bateria.
Hi ha molts paràmetres que afecten l’ús de la bateria, com ara el microcontrolador utilitzat, el voltatge de funcionament, el consum de corrent, la temperatura ambiental, l’estat ambiental, els perifèrics utilitzats, els cicles de càrrega-recàrrega, etc. Amb la tendència dels productes intel·ligents al mercat, és molt important primer centrar-se en la MCU utilitzada, per optimitzar la durada de la bateria. La MCU esdevé una part fonamental a l’hora d’estalviar energia en productes de mida petita. Per tant, es recomana començar primer amb la MCU. Ara, MCU inclou les diferents tècniques d’estalvi d’energia. Per obtenir més informació sobre la minimització del consum d'energia en microcontroladors (MCU), consulteu l'article anterior. Aquest article se centra principalment en un dels paràmetres importants per reduir el consum d'energia del microcontrolador, que és la modificació de la freqüència del rellotgeque cal tenir en compte quan s’utilitza MCU per a aplicacions de baixa potència.
Per què modificar la freqüència de rellotge als microcontroladors?
D’entre molts paràmetres esmentats anteriorment, l’elecció de la freqüència de rellotge té un paper molt important en l’estalvi d’energia. L'estudi demostra que una selecció incorrecta de la freqüència de funcionament dels microcontroladors pot provocar una pèrdua significativa (%) de potència de la bateria. Per evitar aquesta pèrdua, els desenvolupadors han de tenir cura de la selecció de freqüència adequada per executar el microcontrolador. Ara, no és necessari que la selecció de freqüència es pugui fer inicialment, mentre es configura el microcontrolador, mentre que també es pot triar entre la programació. Hi ha molts microcontroladors que inclouen la selecció de bits per seleccionar la freqüència de funcionament desitjada. El microcontrolador també pot funcionar a diverses freqüències, de manera que els desenvolupadors tenen l'opció de seleccionar la freqüència adequada en funció de l'aplicació.
Quin és l’efecte de seleccionar diverses freqüències sobre el rendiment?
No hi ha dubte que la selecció de diverses freqüències afectarà el rendiment del microcontrolador. Com en termes de microcontroladors, és molt sabut que la freqüència i el rendiment són proporcionals. Vol dir que, major freqüència tindrà menys temps d'execució de codi i, per tant, major velocitat d'execució del programa. Per tant, ara és molt clar que si es canvia la freqüència, el rendiment també canviarà. Però no és necessari que els desenvolupadors necessitin mantenir-se a una freqüència només per obtenir un rendiment superior del microcontrolador.
Baixa o alta freqüència, quina seleccionar?
No sempre passa quan el microcontrolador ha d’oferir un alt rendiment, hi ha diverses aplicacions que necessiten un rendiment moderat del microcontrolador, en aquest tipus d’aplicacions els desenvolupadors poden reduir la freqüència de funcionament de GHz a MHz i fins i tot a la freqüència mínima executeu el microcontrolador. Tot i que, en alguns casos, es requereix un rendiment òptim i també és fonamental el temps d'execució, com ara quan es condueixen ADC de flaix externs sense memòria intermèdia FIFO, o en processament de vídeo i moltes altres aplicacions, en aquestes àrees els desenvolupadors poden utilitzar la freqüència òptima del microcontrolador. Fins i tot fent servir aquest tipus d’entorn, els desenvolupadors poden codificar de manera intel·ligent per reduir la longitud del codi triant la instrucció adequada.
Per exemple: si el bucle 'per' pren més instruccions i es poden utilitzar diverses línies d'instruccions que utilitzen menys memòria per fer la tasca sense fer servir el bucle for , els desenvolupadors poden anar amb diverses línies d'instruccions evitant l'ús del bucle 'per' .
La selecció de la freqüència adequada per al microcontrolador depèn dels requisits de la tasca. Una freqüència més alta significa un consum d’energia més gran, però també més potència de càlcul. Per tant, bàsicament l'elecció de la freqüència és una compensació entre el consum d'energia i la potència de càlcul necessària.
A més, el principal avantatge de treballar a baixa freqüència és el baix corrent d’alimentació, a més d’una RFI (interferència de radiofreqüència) més baixa.
Corrent de subministrament (I) = Corrent de repòs (I q) + (K x freqüència)
El segon terme és predominant. L’energia RFI d’un microcontrolador és tan petita que és molt fàcil de filtrar.
Per tant, si l’aplicació necessita una velocitat ràpida, no us preocupeu per córrer ràpidament. Però si el consum d’energia és preocupant, executeu-ho tan lentament com ho permeti l’aplicació.
Tècnica de commutació de freqüència de rellotge
La unitat PLL (Phases Lock Loop) sempre existeix en un MCU d’alt rendiment que funciona a gran velocitat. El PLL augmenta la freqüència d'entrada a una freqüència més alta, per exemple, des de 8 MHz fins a 32 Mhz. És l'opció del desenvolupador triar la freqüència de funcionament adequada per a l'aplicació. Algunes aplicacions no necessiten executar-se a gran velocitat, en aquest cas els desenvolupadors han de mantenir la freqüència de rellotge de la MCU el més baixa possible per executar la tasca. No obstant això, en una plataforma de freqüència fixa, com ara un MCU de 8 bits de baix cost que no conté unitat PLL, cal millorar el codi d’instruccions per reduir l’energia de processament. A més, la MCU que conté una unitat PLL no pot aprofitar els avantatges de la tècnica de commutació de freqüència que permet que la MCU funcioni a alta freqüència durant el període de processament de dades i, a continuació, torni a funcionar a baixa freqüència durant el període de transmissió de dades.
La figura explica l’ús de la unitat PLL a la tècnica de commutació de freqüència.
Selecció de modes de funcionament de la gestió del rellotge
Alguns dels microcontroladors d'alta velocitat admeten diferents modes de gestió de rellotges, com ara el mode Stop, els modes de gestió d'energia (PMM) i el mode d'inactivitat. És possible canviar entre aquests modes permetent a l'usuari optimitzar la velocitat del dispositiu mentre consumeix energia.
Font de rellotge seleccionable
L'oscil·lador de cristall és un gran consumidor d'energia en qualsevol microcontrolador, especialment durant l'operació de baixa potència. L'oscil·lador d'anell, utilitzat per a arrencades ràpides des del mode Stop, també es pot utilitzar per proporcionar una font de rellotge d'aproximadament 3 a 4 MHz durant el funcionament normal. Tot i que es necessita un oscil·lador de cristall en engegar-lo, un cop estabilitzat el cristall, es pot canviar el funcionament del dispositiu a l’oscil·lador anell, aconseguint un estalvi d’energia de fins a 25 mA.
Control de la velocitat del rellotge
La freqüència de funcionament d’un microcontrolador és el factor més important per determinar el consum d’energia. La família de microcontroladors d'alta velocitat de microcontroladors admet diferents modes de gestió de la velocitat del rellotge que conserven l'energia al ralentitzar o aturar el rellotge intern. Aquests modes permeten al desenvolupador del sistema maximitzar l’estalvi d’energia amb un impacte mínim sobre el rendiment.
Execució de programari a partir de memòria o memòria no volàtil
Els desenvolupadors han de considerar acuradament si el programari s’executa a partir de memòries o memòries no volàtils en estimar el consum actual. L’execució des de la memòria RAM pot oferir especificacions de corrent actiu més baixes; no obstant això, moltes aplicacions no són prou petites per executar-se només amb memòria RAM i requereixen que els programes s’executin des de memòria no volàtil.
Rellotges d'autobús habilitats o desactivats
La majoria d’aplicacions de microcontroladors requereixen accés a memòries i perifèrics durant l’execució del programari. Això requereix que els rellotges d’autobús estiguin habilitats i s’ha de tenir en compte en les estimacions actuals actives.
Utilitzant l’oscil·lador intern
L’ús d’oscil·ladors interns i evitar els oscil·ladors externs permet estalviar energia significativa. A mesura que els oscil·ladors externs atrauen més corrent, el que resulta en un major consum d’energia. Tampoc no està obligat a utilitzar un oscil·lador intern, ja que es recomana utilitzar oscil·ladors externs quan les aplicacions requereixen més freqüència de rellotge.
Conclusió
Fer un producte de baixa potència comença amb una selecció de MCU i és molt difícil quan hi ha diverses opcions disponibles al mercat. La modificació de la freqüència pot tenir un gran impacte en l’ús d’energia i també pot donar un bon resultat de consum d’energia. L'avantatge addicional de modificar la freqüència és que no hi ha cap cost addicional de maquinari i que es pot implementar fàcilment al programari. Aquesta tècnica es pot utilitzar per millorar l'eficiència energètica d'una MCU de baix cost. A més, la quantitat d'estalvi d'energia depèn de la diferència entre les freqüències de funcionament, el temps de processament de dades i l'arquitectura de la MCU. Es pot aconseguir un estalvi d’energia de fins al 66,9% quan s’utilitza la tècnica de commutació de freqüència en comparació amb el funcionament normal.
Al final, per als desenvolupadors, satisfer les necessitats d’augmentar la funcionalitat del sistema i els objectius de rendiment, alhora que augmenta la durada de la bateria dels productes, és un repte important. Per desenvolupar eficaçment productes que proporcionin la màxima durada de la bateria possible, o fins i tot funcionin sense bateria, cal una comprensió profunda dels requisits del sistema i de les especificacions actuals del microcontrolador. Això és molt més complex que estimar la quantitat de corrent que consumeix la MCU quan està activa. Depenent de l'aplicació que es desenvolupi, la modificació de freqüència, el corrent d'espera i el corrent perifèric poden tenir un impacte més significatiu en la durada de la bateria que la potència de la MCU.
Aquest article es va crear per ajudar els desenvolupadors a entendre com les MCU consumeixen energia en termes de freqüència i es poden optimitzar amb modificacions de freqüència.