四位低功耗嵌入式微控制器的设计与实现

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1、四位低功耗嵌入式微控制器的设计与实现

2、第1内容加载中...摘　要：介绍了一个低功耗嵌入式微控制器的电路结构及其VLSI的实现，该芯片利用EDA辅助设计实现了多时钟系统，哈佛结构，两级流水线结构以及内置液晶驱动电路，其指令集采用了类似通用八位机PIC16C5X的精简指令集。通过采用各种有效的措施，在0.5微米的CMOS工艺条件下，其功耗大大降低。　　关键词：微控制器；低功耗设计；多时钟系统；哈佛结构；流水线结构DesignandImplementationof4-bitLobeddedMicrocontr

3、ollerPangKe,ZhangShengcai,LiShurong,HuZejun,JinPeng（ASICDesignCenterofTianjinUniv.,Tianjin300072）　　Abstract:ThecircuitstructureanditsVLSIdesignandimplementationofalobeddedmicrocontrollerispresentedinthispaper.TakingadvantageofEDA,ulti-clocksystem,HaVards

4、tructureandtCMOStechnology,ouslythroughvariouseffectivemethods.　　KeyCU4芯片也主要是应用于家电、仪表等各类控制电路，起到替代进口芯片的作用。　　目前，微控制器的功耗已成为设计考虑的关键因素之一，许多应用场合都要求具有低功耗的特性，低功耗的嵌入式设计将是微控制器的发展趋势。2MCU4的体系结构及特点　　MCU4的基本结构的组成部分为控制单元、算术逻辑单元、存贮单元和I/O接口电路。MCU4的内部结构如图1所示。　　在参考了多种四位机和八

5、位机等结构的基础上，设计了具有自己独到之处的MCU芯片。　　1）．指令周期为2倍时钟周期，一般单片机为4倍时钟周期，在晶振固定为32768Hz的状况下，速度为普通单片机的两倍而消耗相同的功率。　　2）．四种系统时钟：主时钟可以是外部的32768Hz，或是高速度的4MHz，也可以是内部的两速RC(1MHz或32KHz)；32768Hz可以一直开着作计时、看门狗或液晶扫描，一般单片机只有两种系统时钟，使用不方便。　　3）．液晶扫描输出(SEG或)可复用为一般的I/O，普通的单片机I/O方式分成两大类，只有液

6、晶的或是只有通用CMOS接口的。MCU4改进了这些缺点，使用户可以通过软件来设置液晶输出与普通I/O。不仅如此，还可以让两者分时使用。因此液晶扫描脚还可以来作键盘扫描，这样可以减少芯片引脚，降低封装成本。　　4）．64个一字节指令(REF)，可由使用者定义为一个CALL，或一个JMP，或是二个字节的指令，如此可有效地压缩程序总长度，达到省ROM的目的。　　5）．哈佛结构：哈佛结构使指令周期为2倍时钟周期。500)this.style.ouseg(this)">3　低功耗MCU的电路实现　　在设计中仔细分

7、析和衡量了各种因素，包括面积、速度和功耗。在保证速度和面积的同时，我们采用各种有效的方法充分降低了系统的功耗。　　（1）首先，我们设计的MCU可实现两种节电（低功耗）工作方式：睡眠（SLEEP）和停止（STOP）工作方式。睡眠方式是指CPU时钟停止，而外围硬件和系统时钟振荡器继续正常工作。CPU进入睡眠状态，等待复位信号（Reset）或者中断唤醒。在停止（STOP）方式下，主系统时钟停止，外围设备此时也进入“睡眠”状态，整个系统停止工作。但RAM的数据还保存，必须靠复位信号或外部终端才能唤醒。　　（2）

8、MCU采用三套时钟系统，不同时钟系统之间可随意切换。为了降低功耗，将时钟定时器，看门狗定时器以及液晶驱动电路部分采用时钟频率最低的XT时钟系统。液晶驱动电路在交流驱动的条件下，驱动频率对驱动电流的影响很大[1]。如果驱动频率由32Hz提高到200Hz，驱动电流会增加5~10倍，因此高频驱动的功耗很大。采用多套时钟切换系统，从而在进行液晶驱动设计时可以使用频率最低的时钟系统，降低功耗。根据公式（1）[2]，f减小，其功耗也随之下降。500)this.style.ouseg(this)">其中Par是系统的

9、平均功率，CL表示电路的负载电容，VDD表示电路的工作电压，f表示MCU中的时钟频率，　　（3）目前低功耗的单片机系统使用的都是CMOS器件，它最大的优点是微功耗。而CMOS集成电路有自己的结构决定，它的静态功耗几乎为零，仅在逻辑状态转换期间，电路有电流流过，存贮的电荷通过电线及门本身的电容被放掉，从而消耗功率[3]。所以它的动态功耗和他的逻辑状态转换频率成正比，和电路的逻辑状态转换时间成正比。因此应尽量使其快速转换，低频率工作，即高速低频