新唐Cortex-M0微控制器的省电管理

新唐科技的NUC1xx包含NUC101、NUC100、NUC120、NUC130和NUC140，是以ARM Cortex-M0为核心的32位微控制器(MCU)，经由不同时钟的设定，最高可以达到 50MHz的运作频率。然而在一般简单控制或系统负载较低时，CPU并不需要执行在最高的运行时钟下即可应付所需要的计算量。这时候，便可以利用系统时钟的控制来降低时钟，以达到省电的目的。
　　另一种情况是CPU因为等待下一个工作或只需要久久工作一次时，就可以先将CPU进入Idle或Power Down模式，等到一定的时间之后或是有特定的事件发生时，才被唤醒过来进行相关事件的处理。同时，如果系统内没有用到的系统模块，也可以将其关闭以节省不必要的耗电。本文介绍各种不同的省电方法的原理，并提供相关的范例说明。
　　开关系统模块
　　在新唐科技NUC1xx中，为了省电的需求，当某个系统模块不使用时，可以将其输入时钟关闭，使其进入关闭的模式，依此来达到省电的效果。在NUC1xx中，几乎所有的系统模块都可以各别被关闭，这些模块包括：Watch Dog Timer、RTC、Timer0~3、I2C0~1、SPI0~3、UART0~2、PWM0~7、CAN、USB、ADC、ACMP、PS2、 PDMA、 Flash ISP。不过，并非每颗芯片都包含了所有模块功能，例如CAN模块只在NUC130和NUC140才有此功能，详细说明请参考各芯片的相关文件。
　　各模块的相关耗电如表1所示。

　　新唐科技NUC1xx藉由关闭各模块时钟的方式来达到关闭各模块的目的，所以要关闭模块就必须设定相关的时钟控制缓存器。NUX1xx提供AHBCLK Register与APBCLK Register，来控制上文所列出各模块的开关。
　　系统时钟设定
　　新唐科技NUC1xx本身的耗电量和它的运行时钟有很大关系。如果运行的时钟高，则耗电高，反之则比较省电，但同时CPU就可能无法负荷大量的运算。因此，如果要同时兼顾大量运算跟省电，就必须能够根据实际上的需求来调整CPU的工作时钟，以求达到最佳的运作效率。
　　NUC1xx内建了PLL，能使用外部 12MHz的晶振或是内部22M振荡器产生系统所需的时钟，由PLL所产生的时钟再经过适当除频，即可作为CPU的工作频率。另外NUC1xx也提供经由外部32KHz的晶振或是内部10KHz 振荡器直接供给作为CPU工作频率的方式。因此，NUC1xx对于工作时钟的设定，提供了很大的灵活性。

　　IDLE省电模式
　　新唐科技NUC1xx除了可利用设定最适合的工作时钟来达到省电的目的外，如果在系统完全不需要工作时，还可以将CPU及大部分的硬件关闭，以达到最大的省电效果。这种搭配关闭CPU及大部分硬件的模式，我们称之为省电模式，其中包括了Idle省电模式及Power Down省电模式。下面就Idle省电模式进行说明。
　　藉由关闭大部分硬件时钟以达到最大省电效率的模式主要有两种，一种是 Idle省电模式，另一种是Power Down省电模式。这两种模式最大的不同点是，当系统进入Idle省电模式下时，任何的中断事件都可以重新唤醒CPU，以便让系统可以处理新进的事件。但如果系统处于Power Down省电模式，就只有少数特定的中断事件能够唤醒系统。
　　由于所谓的Idle模式，实际上就是把 CPU的时钟关闭，这样让CPU在没有工作时处在最省电的模式。因为在这个模式下，只是将CPU的时钟关闭，一旦有任何中断事件发生，马上可以打开CPU 的时钟来处理相关的事件，所以不会造成处理事件的延迟，同时又可以达到省电效果，是兼顾速度与省电的一种模式。
　　NUC1xx 可以利用ARM Cortex-M0本身提供的WFI/WFE指令进入Idle模式。一旦进入Idle模式，CPU将立刻进入Sleep模式而停止运作，因此在WFI /WFE指令之后的程序都必须等到CPU被唤醒后才会被执行。此时NUC1xx的耗电量将降到约16mA@3.3V-48MHz。
　　进入Idle省电模式之后，如果要唤醒CPU，回到一般的工作模式，就必须先产生中断信号。该中断信号可以是NUC1xx中的任何模块所产生的中断，也可以通过外部中断的方式来唤醒CPU。需要注意的是，当决定CPU要由某个中断来唤醒时，就必须在进入Idle省电模式前，将该中断设定完成，才能使其产生中断事件来唤醒CPU。
Power Down省电模式
　　Power Down是新唐科技NUC1xx最省电的一种模式，因为一旦进入Power Down省电模式，晶振时钟会被关闭，整颗NUC1xx呈现静止的状态，这时的耗电量将减到最小的程度。而在此模式下，也只有少数的特定中断事件能够唤醒 NUC1xx，使其恢复工作状态。在Power Down模式下，NUC1xx提供了GPIO、USB、UART、RTC、ACMP和CAN的中断唤醒方式。
　　要进入 Power Down省电模式，除了必须呼叫WFI/WFE指令外，在调用WFI/WFE指令之前，必须另将PD_WAIT_CPU和PWR_DOWN_EN两个功能依序打开。已确保CPU先进入Sleep模式后，系统再进入Power Down模式，此时NUc1xx是属于最省电的状态，耗电量将降到约15uA。
　　一旦NUC1xx进入Power Down省电模式，由于大部分的逻辑电路都进入停止状态，因此要想唤醒CPU，必须经由特殊定义的中断源来唤醒。在Idle省电模式下，只要有任何中断即可唤醒CPU不同，不过相同的是，两者都必须要在进入省电模式前，先设定好将来要用来唤醒CPU的模块，这包括其中断或唤醒功能，这些为了唤醒CPU的准备都完成之后，才能进入省电模式，否则就没有任何方式能够再唤醒CPU了。
　　由于所谓的Power Down省电模式，实际上是把晶振的时钟关闭，让整个NUC1xx呈现静止的状态。而因为晶振也被关闭了，一旦有唤醒中断事件发生，需要等到晶振稳定下来后，CPU才能继续运作，所以由Power Down进入一般的工作模式，会需要延迟一点时间来等待，而NUC1xx系列所提供的延迟时间预设为4096个clock cycle。以12MHz来计算，延迟时间为(1/12MHz)*4096=341.12us(图2中的T2)，而晶振起振所需时间(图2中的T1)则会随着晶振频率、品牌、PCB 布线等都会造成少许差异。一般而言, 12MHz晶振起振所需时间约1~2ms。实际量测范例数据如图2所示。

　　本文小结
　　本文介绍了新唐科技NUC1xx所提供的各种省电方式，包括了关闭没用到的模块、调整CPU运作的时钟、Idle省电模式与Power Down省电模式。在实际应用时，使用者可以根据自身所需，选择适合的方式，甚至组合不同的省电方法以达到最佳的省电效率