专利名称：微控制器中的功率降低的制作方法
技术领域：
此标的物一般来说涉及微控制器中的功率消耗，且更特定来说涉及用于以低功率 操作模式实施时钟控制的构件及方法。
背景技术：
低功率消耗对微控制器系统来说是越来越重要的参数。微控制器系统中的有效功 率消耗通常由电路中的切换活动来支配且与施加到数字逻辑的时钟频率成正比。模拟模块 还贡献大致固定的电流消耗，此可在低频率下或在低功率模式中占支配地位。微控制器系 统中的经时钟计时的外围设备模块通常在超低功率、未经时钟计时的睡眠模式中不可用， 从而迫使应用依赖于较高功率经时钟计时的模式。用于在微控制器中节省功率的常规功率降低解决方案需要通常通过在所述微控 制器中实施一种或一种以上睡眠模式来关断去往中央处理单元(CPU)或外围设备模块的 时钟。可扩展此解决方案直去往已关断所有时钟及模拟模块，且仅保持泄漏电流，泄漏电流 通常比有效电流小几个数量级。此常规方法的缺点是降低了装置的功能性，因为最外围设 备经设计以在时钟运行的情况下操作。
发明内容
所揭示的实施方案通过响应于内部或外部触发事件而针对一个或一个以上外围 设备模块重新启动微控制器中的时钟来实现所述微控制器中的功率降低，因此允许所述一 个或一个以上外围设备模块对事件做出响应同时以低功率睡眠模式操作。在一些实施方案 中，微控制器中的一个或一个以上外围设备模块将时钟请求信号提供到所述微控制器中的 时钟产生器。响应于所述时钟请求信号，所述时钟产生器重新启动一个或一个以上振荡器 源。所述时钟产生器仅针对所述一个或一个以上请求外围设备模块恢复时钟产生，从而使 所述微控制器中的功率消耗保持为最小值且不干扰所述微控制器中的其它模块。所揭示的功率降低方案提供胜于常规功率降低技术的几个优点。所揭示的功率降 低方案允许微控制器系统中的外围设备模块保持对超低功率睡眠模式做出响应，从而导致 使用较小功率的应用。所揭示的功率降低方案可与大多数现有外围设备模块一起使用。所 揭示的功率降低方案具有低实施方案成本及复杂性。
图1是以低功率操作模式实施时钟控制的实例性微控制器系统的框图。图2是图解说明图1的微控制器系统中的异步逻辑的使用的概念性框图。图3是针对低功率模数转换器(ADC)操作实施时钟控制的实例性微控制器系统的 框图。图4是针对低功率I2C地址匹配检测实施时钟控制的实例性微控制器系统的框 图。
图5是用于功率降低的实例性时钟控制过程的流程图。
具体实施例方式系统概观图1是以低功率操作模式实施时钟控制的实例性微控制器系统100的框图。在一 些实施方案中，系统100可包含振荡器源102、时钟产生器104、一个或一个以上外围设备模 块106 (仅显示一个外围设备模块)、事件处置器108、CPU 110、一个或一个以上超低功率模 块112、实时计数器(RTC) 114及一个或一个以上外部中断116。时钟产生器104控制(例如，启用)振荡器源102，所述振荡器源产生用于CPU110 的源时钟(例如，CLK_CPU)及用于一个或一个以上外围设备模块106 (此后也称为“外围设 备”)的源时钟(例如，CLK0)。振荡器源102可以是任何类型的振荡器源，包含(但不限 于)高速晶体振荡器、内部阻一容式(RC)振荡器及锁相回路(PLL)。用于CPU 110的源时钟及用于外围设备模块106的源时钟可以低功率睡眠模式停 止，从而允许微控制器系统100的极低功率消耗。虽然以低功率睡眠模式操作，但事件处置 器108仍允许经时钟计时的外围设备106在外围设备时钟停止时对内部及/或外部事件做 出响应。在一些实施方案中，事件处置器108包含可添加到每一外围设备模块106且添加 到时钟产生器104以促进触发事件及时钟请求的产生、发送及接收的电路。在超低功率模式中，给定外围设备模块106 (例如，外围设备模块0)可将WAKE信 号发送到事件处置器108以指示外围设备模块106请求时钟来运行应用及/或执行操作。 响应于所述WAKE信号，事件处置器108将时钟请求信号(例如，CLK_REQ0)发送到时钟产 生器104。响应于所述时钟请求信号，时钟产生器104控制或启用振荡器源102以将源时 钟提供到时钟产生器104。所述源时钟由时钟产生器104用于产生用于请求外围设备模块 106(例如，外围设备模块0)的具有想要频率的时钟。在一些实施方案中，所述时钟产生器 包含用于处理由振荡器源102提供的源时钟的电路(例如，放大器、时钟划分电路)以为所 述请求外围设备模块提供具有想要特性(例如，想要频率)时钟。外围设备模块106可使用所述时钟来执行操作。在所述操作完成时，外围设备模 块106可使用中断信号(IRQ0)唤醒CPU 110。由于振荡器源102已经正在运行，因此可迅 速地启动微控制器系统100中的所有时钟。图2是图解说明图1的微控制器系统100中的异步逻辑的使用的概念性框图。图 2图解说明由系统100用于降低功率消耗的时钟控制功能。所述时钟控制功能可使用多种 配置及电路装置实施。在一些实施方案中，可借助振荡器源102、时钟产生器104、外围设备 模块106及事件处置器108来在概念上描述与功率降低相关的微控制器系统100功能。可 借助触发器118 (例如，SR触发器)及OR门120来在概念上描述事件处置器108功能。可 借助门122及门124来在概念上描述时钟产生器104功能。在超低睡眠模式中，可由外围设备106及事件处置器108接收内部或外部触发事 件。所述触发事件需要外围设备106执行操作。由于外围设备106为经时钟计时的外围设 备，且微控制器系统100处于睡眠模式中，因此重新启动振荡器源102及时钟产生器以产生 用于外围设备106的时钟。在常规系统中，重新启动用于所有外围设备模块及CPU的所有 源时钟，即使仅单个外围设备模块正请求时钟。此导致不必要的功率消耗。然而，对于系统100来说，仅请求外围设备106将接收时钟，从而导致降低的功率消耗。在一些实施方案中，事件处置器108为异步逻辑块，所述异步逻辑块可连同用于 外围设备模块106的电路一起用硬件描述语言(例如，寄存器传送语言(RTL))来描述。事 件处置器108记录事件何时发生。所述记录触发去往时钟产生器104的时钟请求信号(CLK_ REQ)，所述时钟请求信号指示外围设备106(外围设备0)需要其时钟正被操作。在所示实 例性配置中，事件信号连同由外围设备106产生的0PERATI0N_STARTED信号一起被输入到 OR门120中以指示外围设备106正使用其时钟。因此，外围设备106的触发事件或操作设 定触发器118。触发器118的输出为用于外围设备模块106的CLK_REQ0。CLK_REQ0连同来 自振荡器源102的CLK 一起被输入到AND门124中。在两个信号均被断言为高(例如，逻 辑‘1’)时，将CLK0提供到外围设备106。注意，图2中所示的异步逻辑块可扩展为任何数 目个经时钟计时的外围设备模块。时钟产生器104经扩展而具有类似于事件处置器108的异步逻辑块，所述异步逻 辑块确保重新启动当前所选的振荡器源102。时钟产生器104恢复时钟产生，但仅针对请 求外围设备106，从而使功率消耗操持为最小值，且不干扰系统100中的其它模块。在所示 实例性配置中，时钟产生器104中的OR门122从事件处置器108接收时钟请求信号并产生 ENABLE信号作为响应。所述ENABLE信号由振荡器源102接收并致使振荡器源102重新启 动且提供CLK。在CLK0重新启动之后，外围设备106可恢复操作。在此时间期间，可断言去往事件 处置器108的一个或一个以上信号及/或使所述信号无效以指示CLK0正被使用。举例来 说，可断言0PERATI0N_STARTED信号且可使0PERATI0N_D0NE信号无效以指示外围设备0已 开始操作且正使用CLK0。在所述操作完成之后，外围设备106可借助中断信号(IRQ)唤醒 CPU 110，此可迅速地启动所有时钟，因为振荡器源102已经正在运行。另一选择为，如果所 述操作的结果不产生中断，那么外围设备106可断言其去往事件处置器108的0PERATI0N_ DONE信号，此又使去往时钟产生器104的时钟请求CLK_REQ0无效。时钟产生器104接着 移除去往外围设备106的CLK0且停用振荡器源102，从而使系统100返回到低功率睡眠模 式，而一直不唤醒CPU 110。系统100保持处于低功率睡眠模式中直到另一触发事件发生。系统100允许任何数目个外围设备模块同时请求时钟。振荡器源102将在至少一 个外围设备模块正请求其时钟开始时活动。实例性ADC应用图3是针对低功率ADC操作实施时钟控制的实例性微控制器系统300的框图。此 实例中的外围设备为ADC 308，其由来自由超低功率32KHz振荡器时钟计时的RTC314的事 件触发。ADC 308监视芯片上温度传感器304，且经设定以在温度高于特定用户可编程阈值 的情况下唤醒CPU 310。由于温度改变缓慢，因此RTC 314经设立以每秒产生若干触发事 件(例如，若干WAKE信号)。在RTC 314及32KHz运行的情况下，低功率模式具有1 P A的 功率消耗。在此实例性应用中，振荡器源302、时钟产生器306及事件处置器312如参考图 2中所描述地操作。在此实例性应用中，ADC 308在操作(包含时钟产生器306及振荡器源302)时具 有500 y A的功率消耗及10 y A的转换时间。在事件处置器312及时钟产生器306不为时 钟控制提供异步逻辑的情况下，使ADC 308以响应睡眠模式操作，从而导致约501 u A的功率消耗。在事件处置器312及时钟产生器306为时钟控制提供异步逻辑的情况下，ADC 308 仅每秒操作10 u A，从而导致1 y A+500 u A*10 u s = 1. 005u A的平均功率消耗。因此，可忽 略ADC 308的所添加功率消耗。实例性I2C应用图4是针对低功率I2C地址匹配检测实施时钟控制的实例性微控制器系统400的 框图。I2C(内置集成电路)是用于将低速外围设备附接到母板、嵌入式系统或蜂窝电话的 多主控串行计算机总线。在此实例性应用中，触发事件可以是I2C总线上的开始条件。所述开始条件领先 于所述总线上的任一地址，从而允许I2C从动外围设备406保持不经时钟计时直到开始条 件发生。事件处置器410可经扩展而具有异步电路以将时钟驱动为低，同时等待外围设备 时钟CLK0开始。所述开始条件触发事件处置器410，所述事件处置器将时钟请求(CLK_ REQ0)传递到时钟产生器404。一旦振荡器源402已重新启动便启用CLKO。I2C从动外围 设备406发信号通知需要时钟直到从所述总线接收到完成地址，且其可由开始条件检测器 412检测所述地址是否匹配从动外围设备406的地址。如果地址匹配，那么唤醒CPU 408，否 则使时钟请求无效或移除时钟请求，且系统400返回到低功率模式并等待下一开始条件。 在此实例性应用中，振荡器源402、时钟产生器404及事件处置器412如参考图2中所描述 地操作。如由这些实例所示，所揭示的功率降低方案可允许任一外围设备模块以低功率模 式活动，而不显著增加低功率模式的功率消耗或使软件变复杂。此允许更多应用在无前述 功率节省的情况下以低功率睡眠模式操作。因其设计简单，上文所描述的异步逻辑块可集 成到现有外围设备模块及时钟产生器中，而不使其设计变复杂或不需要改变设计方法。在 大多数现有微控制器系统中可以最小成本实施异步逻辑块，从而使得设计多用途且有价 值。用于功率降低的实例性时钟控制过程图5是用于功率降低的实例性时钟控制过程500的流程图。在一些实施方案中， 过程500在外围设备模块的事件处置器记录与所述外围设备模块相关联的内部或外部触 发事件时开始(502)。响应于所述所记录的触发事件，由事件处置器使用(例如)异步逻辑 块产生时钟请求信号(504)。响应于所述时钟请求信号，重新启动振荡器源(506)。使用所 述经重新启动的时钟源(508)产生用于所述请求外围设备模块的外围设备时钟。虽然此文档涵盖许多具体实施方案细节，但这些细节不应被视为对可主张的范畴 的限制，而是视为对特定实施例可特有的特征的描述。在此说明书中在单独实施例的背景 中描述的一些特征还可以组合形式实施于单个实施例中。相反地，在单个实施例的背景中 描述的各种特征也可分开地或以任何适合的子组合形式实施于多个实施例中。此外，虽然 上文可将特征描述为以一些组合起作用且甚至最初主张如此，但来自一所主张组合的一个 或一个以上特征在一些情况下可从所述组合去除，且所述所主张组合可针对一子组合或一 子组合的变型。
权利要求
一种由具有能够进行低功率操作的数个外围设备模块的微控制器执行的方法，所述方法包括记录与外围设备模块相关联的触发事件；响应于所述触发事件，产生与所述外围设备模块相关联的时钟请求信号；响应于所述时钟请求信号，重新启动振荡器源；及使用所述经重新启动的振荡器源产生用于所述外围设备模块的时钟。
2.如权利要求1所述的方法，其进一步包括将所述时钟施加到所述外围设备以启用所述外围设备来执行操作；确定所述操作何时完成；及响应于操作完成，使所述时钟请求信号无效。
3.—种微控制器系统，其包括振荡器源，其可操作以用于产生源时钟；时钟产生器，其耦合到所述振荡器源且可操作以用于基于所述源时钟产生外围设备时 钟，其中所述振荡器源响应于由所述时钟产生器提供的时钟请求信号而启动；及外围设备模块，其耦合到所述时钟产生器且可操作以用于接收所述外围设备时钟，所 述外围设备模块包含用于检测触发事件且用于响应于所述触发事件产生所述时钟请求信 号的电路。
4.如权利要求3所述的微控制器系统，其进一步包括处理器，其耦合到所述外围设备模块以用于在所述外围设备模块完成操作时从所述外 围设备模块接收中断信号。
5.如权利要求3所述的微控制器系统，其中所述用于检测触发事件的电路包含异步逻辑。
6.如权利要求3所述的微控制器系统，其中所述用于检测触发事件的电路可操作以用 于检测由所述经时钟计时的外围设备模块执行的操作何时完成，且其中所述电路响应于所 述检测使所述时钟请求信号无效。
7.如权利要求3所述的微控制器系统，其中所述外围设备模块为模数转换器。
8.如权利要求3所述的微控制器系统，其中所述外围设备模块执行总线地址匹配检测。
全文摘要
本发明涉及微控制器中的功率降低。所揭示的实施方案通过响应于内部或外部触发事件而针对一个或一个以上外围设备模块重新启动微控制器中的时钟来实现所述微控制器中的功率降低，因此允许所述一个或一个以上外围设备模块对事件做出响应同时以低功率睡眠模式操作。在一些实施方案中，微控制器中的一个或一个以上外围设备模块将时钟请求信号提供到所述微控制器中的时钟产生器。响应于所述时钟请求信号，所述时钟产生器重新启动一个或一个以上振荡器源。所述时钟产生器仅针对所述一个或一个以上请求外围设备模块恢复时钟产生，从而使所述微控制器中的功率消耗保持为最小值且不干扰所述微控制器中的其它模块。
文档编号G06F13/10GK101876847SQ20101012776
公开日2010年11月3日 申请日期2010年3月8日 优先权日2009年3月9日
发明者厄于温·斯库特拉伯奇, 弗罗德·米尔希·彼得森, 弗雷德里克·拉森 申请人:爱特梅尔公司