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06-18
本文结合MSP系列微处理器，详细讨论通过控制和改变MCU时钟频率来降低??功耗的设计方法。
1 功耗产生的原因 在CMOS电路中，功耗主要包括静态功耗和动态功耗。
其中，静态功耗主要是由反向偏置PN结的漏电流和晶体管的亚阈值电流引起的。
其最重要的形式是泄漏损失。
事实上，CMOS电路理论上没有静电功率损耗，因为从电源到地没有直接路径。
但事实上，晶体管中总会存在漏电流，造成漏电损耗。
在0.18μm工艺水平下，其在功耗中所占比重约为5%~10%，一般可以忽略不计（但随着工艺的改进和电源电压的降低，其所占比重逐渐增大）。
这样，在CMOS电路中，动态功耗就成为系统功耗的主要组成部分，占整体功耗的90%以上。
定量分析电路的动态功耗可以用下式表示： 式中：C为负载电容； VDD为电源电压； ？是翻转概率，即每个时钟周期内发生的充放电周期数； fCLK 是时钟频率。
从这个公式我们可以看出如何降低动态功耗，从而降低整个CMOS电路的功耗。
即可以减小翻转的负载电容，可以降低电源电压，可以降低节点翻转的概率，或者可以降低时钟频率。
本文将重点讨论如何动态降低时钟频率来实现低功耗设计。
2 动态时钟低功耗管理原理 MCU系统设计是一个非常复杂的过程。
在某些情况下，可能会使用整个系统的所有硬件资源，但在某些应用中可能只需要其中的少数硬件资源。
部分硬件资源；在某些应用中可能需要高时钟频率，而在其他应用中它可以以非常低的工作频率工作。
例如：当任务负载较大、MCU满负载工作时，需要较高的时钟频率，功耗较大；当任务负载较小时，MCU负载较轻，所需时钟频率较低，功耗可以相应调整。
减少。
动态配置系统时钟频率就是动态管理系统的工作频率，以在不牺牲系统性能的情况下降低MCU的功耗。
3 低功耗动态时钟实现 图1所示为MSP系列MCU的基本时钟模块。
MSP 基本时钟模块包含以下 3 个时钟输入源。
(1)LFXT1CLK低频时钟源：由LFXT1振荡器产生（如图2所示）。
通过软件复位状态寄存器中的OSCOff后，LFXT1开始工作，即系统工作在低频。
如果 LFXT1CLK 不用作 SMCLK 或 MCLK 信号，可以使用软件设置 OSCOff 来禁用 LFXT1。
(2)XT2CLK高频时钟源：由XT2振荡器产生。
它产生时钟信号XT2CLK，工作在高频模式时其工作特性与LFXT1振荡器类似。
XT2振荡器是否工作可以通过软件简单设置。
当XT2CLK不用作SMCLK或MCLK信号时，关闭XT2并选择另一个时钟源。
(3)DCOCLK数控RC振荡器。
由时钟模块中集成的 DCO 振荡器产生。
DCO 振荡器是一个 RC 振荡器，其频率可以通过软件调节。
其控制逻辑如图3所示。
当振荡器LFXT1和XT2被禁止或禁止时，DCO振荡器被自动选择作为MCLK时钟源。
因此，即使 CPU 关闭，也可以响应由振荡器故障引起的系统中断请求。
基本时钟模块可以提供系统所需的三种时钟信号，分别是：ACLK、MCLK、SMCLK。
辅助时钟ACLK由LFXT1CLK信号除以1、2、4、8得到。
ACLK可以通过软件选择作为各外设模块的时钟信号，一般用于低速外设；系统主时钟MCLK可以通过软件从LFXT1CLK、XT2CLK、DCOCLK之一中选择，然后进行1、2、4、8分频。
MCLK主要用在CPU和系统中。
子系统时钟SMCLK可以通过软件从LFXT1CLK和DCOCLK，或者XT2CLK和DCOCLK中选择，然后进行1、2、4、8分频。
主要用于高速外围模块。
系统可以根据实际需要通过软件选择合适的系统时钟频率。
这三个不同频率的时钟输出到不同的模块，从而合理利用系统的电源，实现整个系统的超低功耗。
这对于电池供电的系统尤其重要。
从系统的角度来说，这是非常重要的。
在具体应用中，CPU和各个时钟源的工作状态如表1所示。
4动态时钟应用示例 使用MSP连接外部8Hz晶振构建超低功耗实时时钟钟。
结构如图4所示。
部分代码如下： setc Dadc.b SEC cmp.b #h、SEC jlo CLKend clr。
b SEC dadc.b MIN cmp.b #h, MIN jlo CLKend clr.b MIN CLKend; 让 MSPCPU 大部分时间工作在突发状态在LMP3状态下，只有在程序代码中的单位时间结束后，才开始很短的操作，操作期间的电流消耗约为?ZA。
计算指令执行时间后，在1s周期内程序运行时间仅为μs，平均系统电流约为0.83μA，可见其运行功耗相当低。
本文介绍了MSP系列MCU的动态时钟配置，通过动态改变MCU系统时钟来实现低功耗设计。
在实际应用中，通过软件设置合理使用时钟源，可以有效实现低功耗设计。
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