功耗，已經(jīng)是一個(gè)老生常談的話題了。對(duì)于功耗，大家多多少少有所了解。目前，很多產(chǎn)品的宣傳里便帶有低功耗噱頭。為增進(jìn)大家對(duì)功耗的認(rèn)識(shí)，本文將基于兩點(diǎn)介紹功耗：1.低功耗主要設(shè)計(jì)方法，2.單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要點(diǎn)。如果你對(duì)功耗具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、低功耗設(shè)計(jì)方法

1. 并行結(jié)構(gòu)

并行結(jié)構(gòu)是將1條數(shù)據(jù)通路的工作分解到2條通路上完成。并行結(jié)構(gòu)降低功耗的主要原因是其獲得與參考結(jié)構(gòu)相同的計(jì)算速度的前提下，其工作頻率可以降低為原來(lái)的1/2，同時(shí)電源電壓也可降低。并行電路結(jié)構(gòu)是以犧牲芯片的面積來(lái)降低功耗。如果采用并行結(jié)構(gòu)，可以使工作頻率降為 /2，最壞情況下的延遲可以達(dá)到2 ，假定電源電壓降低為 /1.8，由于電路的加倍和外部布線的增加，其等效的電容為2 。

2. 流水結(jié)構(gòu)

電路流水就是采用插人寄存器的辦法降低組合路徑的長(zhǎng)度，達(dá)到降低功耗的目的。一個(gè)先相加再比較的電路中間插人流水線寄存器的流水結(jié)構(gòu)。加法器和選擇器處在2條不同的組合路徑上，電路的工作頻率沒(méi)有改變，但每一級(jí)的電路減少，使電源電壓可以降低。假設(shè)電源電壓為 /1.8，由于加入了流水線寄存器，等效電容變?yōu)樵瓉?lái)的1.2 。則:由上式可見(jiàn)，采用流水線結(jié)構(gòu)也可以顯著地降低功耗。

電路流水化和并行化可以達(dá)到降低功耗的目的，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)者可以選擇電路的工作電壓。如果電路工作電壓固定，2種方法只能提高電路的工作速度，但功耗將相應(yīng)地有所增加。

3. 編碼優(yōu)化

一般可采用One-Hot碼、格雷碼和總線反轉(zhuǎn)碼降低片上系統(tǒng)總線的功耗。

One-Hot碼在一個(gè)二進(jìn)制數(shù)中只允許1個(gè)數(shù)位不同于其他各數(shù)位的值;格雷碼在任何2個(gè)連續(xù)的數(shù)字其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼只有1位的數(shù)值不同。由于在訪問(wèn)相鄰的2個(gè)地址的內(nèi)容時(shí)，其跳變次數(shù)比較少，從而有效地減少了總線功耗。總線反轉(zhuǎn)碼是在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)考慮相鄰數(shù)據(jù)之間的關(guān)系來(lái)決定傳輸?shù)母袷健．?dāng)發(fā)送部件向總線上傳輸?shù)?個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)將它和 進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果來(lái)決定發(fā)送 還是 ，從而減少總線的有效翻轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而減少系統(tǒng)的功耗。

二、單片機(jī)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)要點(diǎn)

要滿足單片機(jī)系統(tǒng)的低功耗要求，選用具有低功耗特性的單片機(jī)可以很容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榫哂械凸奶匦缘膯纹瑱C(jī)可以大大降低系統(tǒng)功耗，這可以從單片機(jī)的供電電壓、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)時(shí)鐘和低功耗模式等幾方面來(lái)考察一款單片機(jī)的低功耗特性。一般來(lái)講，用戶在選擇技術(shù)供應(yīng)商和產(chǎn)品過(guò)程中，需要對(duì)下面的一些重要硬件參數(shù)進(jìn)行更加深入的考量：

1. 選擇簡(jiǎn)單的CPU內(nèi)核

選擇CPU內(nèi)核時(shí)切忌一味追求性能，以“夠用就好”為原則。8位機(jī)夠用，就沒(méi)有必要選用16位機(jī)、32位機(jī);單片機(jī)的運(yùn)行速度越快，往往其功耗也越大。一個(gè)CPU越復(fù)雜、集成度越高、功能越強(qiáng)，片內(nèi)晶體管越多，總漏電流也越大，即使進(jìn)入STOP狀態(tài)，漏電流也會(huì)變得不可忽視;而簡(jiǎn)單的CPU內(nèi)核不僅功耗低，成本也低。

2. 選擇低電壓供電的單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)的供電電壓低，可以有效地降低其系統(tǒng)功耗。由于半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，現(xiàn)在單片機(jī)的供電電壓從5V供電降低到3.3V、3V、2V乃至1.8V。供電電壓低，不緊可以降低單片機(jī)的功耗，還可以降低單片機(jī)外圍電路的功耗。

3. 選擇帶有低功耗模式的單片機(jī)系統(tǒng)

低功耗模式指的是系統(tǒng)的Idle、Stop和Suspend等模式。處于這些模式下的功耗將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常運(yùn)行下的功耗。Idle模式下，CPU停止工作，但內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘并不停止，單片機(jī)的外圍I/O模塊也不停止工作;系統(tǒng)功耗一般降低有限，相當(dāng)于工作模式功耗的50%左右。

如果在CPU進(jìn)入Stop模式時(shí)，將各個(gè)模擬外設(shè)關(guān)掉，這時(shí)的功耗可以降低到nA級(jí)。但是在Stop模式下，CPU被喚醒后要重新對(duì)系統(tǒng)作初始化，所有特殊功能寄存器的內(nèi)容將被重新初始化。這在某些低功耗應(yīng)用場(chǎng)合需要注意。

Suspend模式下，CPU、內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘停止工作，I/O模塊等被懸掛起來(lái)，片內(nèi)RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)將被保持，CPU的功耗可以降低到nA級(jí)，由喚醒事件喚醒。當(dāng)CPU被喚醒后，系統(tǒng)不會(huì)被CPU復(fù)位，繼續(xù)從進(jìn)入Suspend模式的地方開(kāi)始執(zhí)行程序。這是一種非常理想的低功耗模式。

在硬件層面來(lái)說(shuō)，對(duì)上面的這些參數(shù)進(jìn)行仔細(xì)衡量是十分必要的，除此之外，選擇合適的時(shí)鐘方案和使用每MIPS功耗來(lái)衡量MCU的低功耗性能也是非常關(guān)鍵的。