14.17. Микромощные микропроцессоры и периферийные устройства

Многие стандартные микропроцессоры имеют КМОП-эквиваленты. Следовательно, на первый взгляд могло бы показаться, что легко проектировать на микропроцессорах маломощные схемы. В действительности же большинство из этих КМОП-микропроцессоров представляют собой просто аналоги-контакт в контакт-процессоров, первоначально разработанных по и-МОП-технологии, и в большинстве случаев они не ориентированы на работу при батарейном питании, например не способны работать при низкой частоте тактовой синхронизации. Некоторые даже и не маломощные - например, схема 68020, которая рассеивает мощность приблизительно .

Поскольку мощность рассеивания КМОП-приборов обычно пропорциональна частоте тактовой синхронизации, то первый вопрос, на который следует дать - какую мощность потребляет схема при выключении сигнала тактовой синхронизации? Если в самом кристалле используется КМОП-технология из-за ее хороших электрических характеристик, но он не был предназначен для прикладных задач с крайне малой мощностью потребления, то в него могут входить некоторые не КМОП-схемы, которые приводят к значительной мощности рассеяния в статическом режиме. Остерегайтесь также тех кристаллов, в которых используется тактовая синхронизация неявным образом: в качестве примера можно привести (непрерываемый) строенный -разрядный счетчик, который совместим с микропроцессорами (шесть портов с третьим состоянием, разрядностью в байт, плюс порты управления). Он потребляет ток при остановленной тактовой синхронизации; однако сюрприз состоит в том, что для него необходимо тактовое колебание, даже когда он не общается с процессором. В его технических данных не указано, что сама тактовая синхронизация используется для синхронизации входов и что эта частота должна быть по крайней мере в три раза выше скорости счета. Таким образом, необходимо подавать на него высокую тактовую частоту, чтобы он функционировал как счетчик, а это приводит к избыточной мощности рассеяния.

Второй вопрос, на который следует - это насколько низкой может быть частота тактовой синхронизации, чтобы при этом сохранялись разумные рабочие характеристики?

В состав некоторых процессоров могут входить динамические регистры, для которых предписана высокая минимальная частота тактовой синхронизации. При низкой частоте тактовой синхронизации некоторые процессоры (в частности, типа «контроллеров» - см. ниже) могут реагировать очень медленно; вы можете получить при прерываниях время задержки до .

Зависимость компьютера от контроллера.

Как правило, микропроцессоры делятся на две категории, согласно тому для каких целей они спроектированы. Типы, ориентированные на вычисление, имеют адресное пространство по крайней мере в и используют только несколько циклов тактовой синхронизации на инструкцию (для достижения высокого быстродействия). Для них требуются внешние периферийные устройства, а именно: порты, таймеры, преобразователи и т.д. Ориентированные на управление типы предназначены для целевого использования в определенных приборах и обычно имеют небольшое адресное пространство (в типовом случае или ), и выполнение одной инструкции проводится за много циклов тактовой синхронизации. С другой стороны, для них характерно наличие многочисленных встроенных параллельных портов, большого числа контактов прерываний и внутреннего формирователя тактовой синхронизации. В них часто входят таймеры, УАПП и даже аналого-цифровые преобразователи и энергонезависимое ОЗУ.

Некоторые примеры.

Схемы представляют собой КМОП-аналоги популярных -МОП вычислительных процессоров. ИС (фирма ) при остановленной тактовой синхронизации потребляет ток - при частоте тактовой синхронизации 6 МГц. Он может быть непригоден для микромощных применений, если только вы не используете его в режиме с отключением питания. Схемы (фирмы Harris, Intel) лучше - имеют статический ток потребления (хотя он задается как , макс.). У них вы можете с целью экономии мощности останавливать тактовую синхронизацию, при этом сохраняется содержимое регистров и программных счетчиков.

Имеется тонкость в восстановлении на входе остановленного процессора сигнала тактовой синхронизации. Для обеспечения низкого значения мощности потребления в режиме резервирования вы должны выключать кварцевый генератор, а не только стробировать его выходной сигнал (конечно, вместе со схемой синхронизации; см. разд. 8.19). Однако из-за высокой добротности кварцевый генератор не может запуститься мгновенно, и генератор мегагерцевого диапазона частот в типовом случае имеет время восстановления от 5 до генератор с частотой может иметь это время до секунды . Следовательно, для восстановления сигнала тактовой синхронизации вы можете или подождать пока генератор «наберет скорость» перед стробированием его с помощью микропроцессора, или вы можете установить процессор в исходное состояние в течение этого периода. Первый метод обычно лучше, поскольку вы можете и не захотеть проводить перезагрузку каждый раз, как нужно запустить обработку (см. ниже «Отключение источника -метод «теплой» загрузки). Схема (фирма Harris) представляет собой маломощный формирователь тактовой синхронизации, ориентированный на работу с микропроцессорами его внутренняя схемотехника выполняет выключение тактовой синхронизации, остановку генератора , работает на низких частотах и имеет дополнительные средства для микропроцессорного программного управления.

Схемы - это примеры популярных процессоров типа контроллера, спроектированные со специальными характеристиками и ориентированные на батарейное питание. В эти процессоры входит вплоть до 32 программируемых контактов шины ввода-вывода (ВВ), пара -разрядных таймеров, -байт встроенное ПЗУ (они могут использовать порты как мультиплексные шины для адресации внешней памяти; схема имеет, кроме того, масочное программируемое ПЗУ объемом 4К байт), 5 прерываний и программируемый последовательный порт.

Они могут быть переведены в маломощный режим «ожидания» при частоте тактовой синхронизации 1 МГц), в котором прерывания, последовательный порт и таймеры продолжают функционировать, в то время как тактовая синхронизация самого процессора прервана; содержимое всех регистров и встроенного ОЗУ сохраняется. Они также могут быть переведены в режим «выключения питания» с нулевым током, из которого их можно вывести только путем полного сброса, но при котором сохраняется содержимое внутреннего ОЗУ.

Схема представляет собой аналогичный контроллер с прекрасной способностью по восстановлению из режима «остановки» с нулевой мощностью потребления через прерывание. В нем имеется внутренняя схемотехника формирования периода ожидания перед возобновлением обработки после запуска генератора. В технических условиях на него записано, что время запуска в типовом случае составляет макс.) при МГц, В. Это, очевидно, непригодно для прикладной задачи, где требуется многократный запуск, скажем, 10 раз в секунду, но это было бы прекрасно при запуске системы раз в минуту. В серию 14805 входят различные модификации (определяется суффиксом) с отличными конфигурациями порта и памяти, маскируемым ПЗУ и т. д. Мы используем его в приведенном в следующем разделе примере проектирования,

В табл. 14.9 приведено большинство из наиболее интересных маломощных микропроцессоров, имеющихся в наличии на момент сдачи этого издания в печать.

Таблица 14.9. КМОП однокристальные контроллеры

Отключение источника питания.

Конечно, вы можете заставить любой микропроцессор работать при низкой средней мощности, если включать источник питания только в течение короткого рабочего цикла. Это более просто сделать для и-МОП-схем, чем для КМОП, поскольку входы, такие, как WR, могут оставаться в ВЫСОКОМ состоянии при выключенном питании (для КМОП-схем такая ситуация привела бы к появлению питания на кристалле через входные диоды защиты), препятствуя подложным циклам записи. Следовательно, для КМОП-схем необходимо использовать внешние логические схемы, которые обеспечат аккуратное выключение. В любом случае надлежит решить вышеупомянутую проблему запуска тактовой синхронизации, которую вы можете решить с помощью внешних логических схем задержки, либо с помощью кристалла типа .

Мало кому понравится проводить полную «холодную» перезагрузку программного обеспечения на каждом цикле перезапуска. Лучший способ справиться с этим - это заставить ЦПЭ считывать с триггера «флаг включения питания» (постоянно включенные КМОП-схемы) на каждом перезапуске, проводя холодную загрузку только первый раз, после которого он устанавливает этот триггер.

Для n-МОП-процессоров с отключаемым источником питания вы должны во время «спячки» процессора хранить запускаемые фронтом запросы прерывания во внешних логических схемах, обслуживая их, когда процессор снова запущен. Вам возможно потребуется использовать этот же прием и для некоторых КМОП-процессоров, а именно для тех, которые теряют запускаемые фронтом прерывания в течение режима ожидания и остановки.

При отключении питания от n-МОП-процессоров, которые в типовом случае потребляют ток или больше, позаботьтесь о применении хорошего «дюжего» полевого МОП-транзистора с сопротивлением Ом при 5 В возбуждения на затворе.

Периферийные КМОП-устройства.

Многие маломощные КМОП-кристаллы периферийных устройств представляют собой просто КМОП-копии их -МОП аналогов, например параллельные порты . Их технические условия тоже почти точная копия исходных материалов по n-МОП-аналогам, правда с некоторыми изменениями. Зачастую эти технические условия не вполне корректны. Например, в них может задаваться выходной втекающий ток при напряжении 0,4 В и вытекающий ток при напряжении 2,4 В, тогда как в действительности их формирователи с -каналом могут обеспечивать вытекающий ток , в частности, при напряжении 2,4 В. Входные пороги также могут быть перепутаны. Другая вещь, о которой следует побеспокоиться при использовании КМОП-приборов, является склонность к наводке плавающих потенциалов на входах при третьем состоянии шины. Фирма Harris и Intel добавляют в схему цепь «поддержки шины», которая вводит небольшую положительную обратную связь на вход для предотвращения появления тока режима класса А из-за плавающего потенциала на входах.

Остерегайтесь периферийных КМОП-устройств, которые потребляют ток «покоя», поскольку в них имеется тактовая синхронизация. Например, УАПП типа потребляют ток около на их рекомендованной частоте генератора (1,84 МГц при для ). Вы могли бы и выключить генератор, но тогда УАПП не смог бы принимать данные, например команду на включение. Другими периферийными КМОП-устройствами с токами покоя от 1 до являются аналого-цифровые преобразователи, модемы видеоадаптеры, ЭСППЗУ и шифраторы клавиатуры. Сложные системы с несколькими такими приборами могут потреблять ток покоя , что приводит к сроку службы -вольтовой батареи всего . Если это вас устраивает, то прекрасно; в противном же случае необходимо отключать источник питания.

Но будьте внимательны - входы и выходы могут себя вести дурно; например, шинные формирователи АЦП с третьим состоянием могут перейти в НИЗКОЕ состояние, когда отсутствует питание этого АЦП (в этом случае используйте отдельный КМОП формирователь третьего состояния).

Формирователи сигналов стыка традиционно представляют собой мощные приборы: классический счетверенный формирователь 1488 потребляет ток в статическом режиме без учета тока нагрузки, а счетверенный приемник 1489 потребляет ток . Некоторые современные кристаллы стыка работают с малой мощностью потребления. Здесь описывается несколько их хороших разновидностей:

фирмы Motorola. Он представляет собой строенный КМОП-формирователь/приемник, который будет работать при напряжениях источника питания от до и имеет мощность рассеяния не более во всем этом диапазоне. Выходные КМОП-формирователи дают перепад выходного сигнала в пределах общего перепада напряжения питания, так что вы можете получить требуемый размах сигналов стыка даже при напряжении питания В. Различные приемы были использованы в этой конструкции, с тем чтобы обеспечить работу КМОП-схемы с общим напряжением питания вплоть до 26 В, и допустить размах сигнала на входе на 20 В выше этого перепада напряжения.

. Это счетверенный биполярный формирователь сигнала стыка с диапазоном напряжения источника питания от до В и током покоя . Его можно выключать (нулевой ток) с помощью контакта управления; при выключении сами выходы переходят в третье состояние.

. Это строенный биполярный формирователь/приемник с диапазоном напряжений питания от до и током покоя . Аналогично схеме у него имеется контакт выключения. В нем также предусмотрен контакт управления, который позволяет оставлять один из приемников во включенном состоянии, в то время как остальная часть кристалла отключается; вы можете использовать это для включения остальной части самого кристалла, когда что-нибудь поступает на вход. В выключенном режиме выход переходит в состояние с высоким полным сопротивлением.

Серия . Эти приборы, выпускаемые фирмами Maxim, Intersil и Linear Technology, представляют собой сдвоенные формирователи/приемники с внутренними преобразователями напряжения, так что они могут работать от единственного источника питания с напряжением В, выдавая выходные сигналы с размахом . Все они, за исключением МАХ233 и 235 (которые имеют встроенные конденсаторы), требуют подключения к преобразователям напряжения четырех внешних танталовых конденсаторов; их выходные сигналы с напряжением пригодны для питания низкотоковых нагрузок. Их ток покоя составляет . Части этих кристаллов, а именно преобразователи напряжения, выпускаются отдельно, как схема или -преобразователи единственного напряжения в сдвоенное напряжение ; их можно использовать для организации питания всех других приведенных выше кристаллов стыка .

Фирма National переработала по КМОП-технологии свою классическую биполярную схему с аналогичным наименованием. Формирователь работает при напряжениях источника питания от до , вырабатывая обычный для КМОП-схем размах сигнала до напряжений питания. При напряжении питания этот счетверенный формирователь потребляет ток , макс. (ненагруженный), в то время как приемник потребляет , макс. от его единственного источника питания с напряжением . (Фирма National также выпускает КМОП-кристаллы стыка )