Vybavení pro snížen ení příkonu MCU K.D. - přednášky 1 Možnosti snížení příkonu Snížení frekvence hodin procesoru a periferií. Programové odpojování periferií. Režim Idle. Režim Power Down. Snížení napájecího napětí. Metoda DVS K.D. - přednášky 2
Možnosti snížení příkonu K.D. - přednášky 3 Obecné závislosti P = C e V 2 CC f + I L V CC P = ztrátový výkon, V cc = napájecí napětí, f = frekvence hodin, C e = ekvivalentní kapacita, I L = klidový proud Ce Ce K.D. - přednášky 4
Obecné závislosti P = C e V 2 CC f + I L V P = ztrátový výkon, V cc = napájecí napětí, f = frekvence hodin, C e = ekvivalentní kapacita, I L = klidový proud CC P run vs. Vcc P run vs. frequency 14,00 14,00 P [mw] 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 1 MHz 2 MHz 3 MHz 4 MHz 5 MHz 6 MHz 7 MHz 8 MHz P [mw] 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 1,8 V 2,0 V 2,2 V 2,4 V 2,6 V 2,8 V 3,0 V 3,2 V 3,4 V 3,6 V 2,00 2,00 0,00 1,8 V 2,2 V 2,6 V 3,0 V 3,4 V 0,00 1 MHz 2 MHz 3 MHz 4 MHz 5 MHz 6 MHz 7 MHz 8 MHz Vcc [V] f [MHz] K.D. - přednášky 5 Snížení frekvence hodin procesoru a periferií (1) Závislost odběru MCU na frekvenci hodin (Microchip PIC). Frekvence řádu 100 khz. Frekvence řádu MHz. K.D. - přednášky 6
Snížení frekvence hodin procesoru a periferií (2) Použití oscilátoru s nejnižší možnou frekvencí. Programové řízení frekvence oscilátoru. K.D. - přednášky 7 Programové odpojování periferií Odpojení napájení jednotlivých periferií (Renesas H8S, Infineon C167,... ). Jednotlivé periferie lze odpojit nastavením příslušného bitu v registru pro řízení napájení (MSTPCRx, SYSCON3). Další snížení odběru: odpojení hodinového signálu pro odpojené periferie. K.D. - přednášky 8
Režim Idle Zapíná se programově. (Např. 8051: do PCON se zapíše příslušná hodnota pro Idle.) Oscilátor kmitá. Odpojí se hodiny pro procesor. Periferie normálně pracují. RAM, SFR a porty zachovávají nastavené hodnoty. (8051: odběr řádově ma). Ukončení Idle: přerušení nebo reset. K.D. - přednášky 9 Režim Power Down Zapíná se programově, podobně jako Idle. Zastaví se oscilátor. Nepracuje CPU ani periferie. RAM, SFR a porty zachovávají nastavené hodnoty. (8051: odběr řádově µa, PIC: odběr řádově na). Ukončení Power Down: reset. PIC: lze volit Power Down se zachováním funkce interního oscilátoru WD, ukončení i přerušením. C167: lze volit Power Down se zachováním funkce RTC a oscilátoru. Musí se uvážit vliv výstupního proudu z portů. Na vstupních portech musí být definovaná log. úroveň (kmitání zvyšuje odběr). K.D. - přednášky 10
Režimy Idle a Power Down generátor hodin Generátor hodin 8051: K.D. - přednášky 11 Režimy Idle a Power Down generátor hodin Generátor hodin MSP430: ACLK = Auxiliary Clock (pro periferie) MCLK = Master Clock (pro CPU) SMCLK = Submodule Clock (pro periferie) K.D. - přednášky 12
Režimy Idle a Power Down generátor hodin Nevýhoda zastavení oscilátoru v Power Down: pomalý náběh při ukončení PD: Náběh oscilátoru u Microchip PIC. K.D. - přednášky 13 Snížení napájecího napětí Závislost odběru (I cc ) na napájecím napětí (V cc ) (Atmel ATtiny). Hodnotou V cc je dána maximální hodinová frekvence MCU. Atmel ATtiny: závislost I cc na V cc v normálním režimu. K.D. - přednášky 14
Snížení napájecího napětí v režimu Power Down Odběr v režimu Power Down lze zmenšit snížením napájecího napětí. Reset Trvání pulsu = náběh oscilátoru + reset Oscilátor Vcc Přechod do režimu Power Down Vcc min Reset - ukončení režimu Power Down PIC: závislost I cc na V cc v režimu Power Down. K.D. - přednášky 15 Řízení frekvence CLK Perioda spouštění úlohy Dynamické čekání: Snížením frekvence hodin procesoru na optimální hodnotu lze snížit příkon MCU. Dynamické čekání Aktivní perioda Maximální frekvence CLK Perioda spouštění úlohy Aktivní perioda Optimální frekvence CLK Task deadline Task deadline K.D. - přednášky 16
Řízení frekvence CLK Čekání v Idle nebo Power Down: Spotřeba energie pro danou úlohu závisí na počtu taktů CLK (ne na frekvenci). Sleep Idle n k period CLK Aktivní perioda Vysoká frekvence CLK Wake up Task deadline W = P T n k period CLK (Energie = Příkon Čas) Aktivní perioda Optimální frekvence CLK Task deadline K.D. - přednášky 17 Použití metody DVS DVS = Dynamic Voltage Scaling Metoda DVS: 1. Frekvence CLK se nastaví na optimální hodnotu. 2. Napájecí napětí se sníží na minimální přípustnou hodnotu. Vcc [V] n k period CLK Minimal MCS430 Supply Voltage 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Frequency [MHz] Aktivní perioda Optimální frekvence CLK + snížené napájecí napětí Task deadline K.D. - přednášky 18
Použití metody DVS Metoda DVS: 1. Frekvence CLK se nastaví na optimální hodnotu. DVS předpokládá možnost řízení napájecího napětí vyžaduje speciální HW prostředky. 2. Napájecí napětí se sníží na minimální přípustnou hodnotu. Baterie Měnič DC/DC Vcc MCU Řízení Vcc K.D. - přednášky 19 Použití metody DVS - experiment Perioda spouštění úloh = 100 ms. Energy consumed in one task period 0,450 W [mws] 0,400 0,350 0,300 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 100% processor load 100% processor load 100% processor load XT2 Task 1 XT2 Task 2 XT2 Task 3 XT2 Task 1 theoretical XT2 Task 2 theoretical XT2 Task 3 theoretical DCO Task 1 DCO Task 2 DCO Task 3 0,000 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 f [MHz] K.D. - přednášky 20