- Por que modificar a freqüência do clock em microcontroladores?
- Qual é o efeito de selecionar várias frequências no desempenho?
- Frequência baixa ou alta, qual selecionar?
- Técnica de troca de freqüência de relógio
- Selecionando modos de operação de gerenciamento de relógio
- Execução de software a partir de memória não volátil ou RAM
- Usando o oscilador interno
- Conclusão
Os desenvolvedores sempre têm o desafio de fornecer altos níveis de funcionalidade e desempenho e, ao mesmo tempo, maximizar a vida útil da bateria. Também quando se trata de produtos eletrônicos, a característica mais importante é o consumo de bateria. Deve ser o mínimo possível para aumentar o tempo de operação do dispositivo. O gerenciamento de energia é muito crítico em aplicativos portáteis e alimentados por bateria. As diferenças de consumo de microamperes podem levar a meses ou anos de vida operacional, o que pode aumentar ou diminuir a popularidade e a marca do produto no mercado. O aumento de produtos exige uma otimização mais eficiente do uso da bateria. Hoje em dia, os usuários exigem bateria de backup mais longa com produtos de tamanho compacto, então os fabricantes estão se concentrando em baterias de tamanho menor com vida útil super longa, o que é uma tarefa questionável. Mas,os desenvolvedores criaram tecnologias de economia de energia após passar por muitos fatores e parâmetros críticos que afetam a vida útil da bateria.
Existem muitos parâmetros que afetam o uso da bateria, como microcontrolador usado, tensão de operação, consumo de corrente, temperatura ambiente, condição ambiental, periféricos usados, ciclos de carga-recarga etc. Com a tendência de produtos inteligentes chegando ao mercado, é muito importante para primeiro focar no MCU usado, para otimizar a vida útil da bateria. O MCU torna-se parte crítica quando se trata de economizar energia em produtos de pequeno porte. Portanto, é recomendável começar com o MCU primeiro. Agora, o MCU vem com diferentes técnicas de economia de energia. Para saber mais sobre como minimizar o consumo de energia em microcontroladores (MCU), consulte o artigo anterior. Este artigo foca principalmente em um dos parâmetros importantes para reduzir o consumo de energia no microcontrolador, que é modificar a frequência do clockque precisa ser cuidado ao usar MCU para aplicações de baixa potência.
Por que modificar a freqüência do clock em microcontroladores?
Dentre muitos parâmetros mencionados acima, a escolha da frequência do clock desempenha um papel muito importante na economia de energia. O estudo mostra que a seleção errada da frequência de operação dos microcontroladores pode levar a uma porcentagem significativa (%) de perda de energia da bateria. Para evitar essa perda, os desenvolvedores precisam cuidar da seleção de frequência apropriada para executar o microcontrolador. Agora, não é necessário que a seleção da frequência possa ser feita inicialmente, durante a configuração do microcontrolador, mas também pode ser escolhida no meio da programação. Existem muitos microcontroladores que vêm com seleção de bits para selecionar a frequência de operação desejada. Além disso, o microcontrolador pode operar em várias frequências, de modo que os desenvolvedores têm a opção de selecionar a frequência apropriada, dependendo da aplicação.
Qual é o efeito de selecionar várias frequências no desempenho?
Não há dúvida de que a seleção de várias frequências afetará o desempenho do microcontrolador. Como em termos de microcontrolador, é sabido que a frequência e o desempenho são proporcionais. Isso significa que quanto maior a frequência, menor será o tempo de execução do código e, portanto, maior a velocidade de execução do programa. Portanto, está muito claro que, se a frequência for alterada, o desempenho também mudará. Mas não é necessário que os desenvolvedores precisem ficar em uma frequência apenas por uma questão de maior desempenho do microcontrolador.
Frequência baixa ou alta, qual selecionar?
Nem sempre é o caso quando o microcontrolador tem que entregar um alto desempenho, existem várias aplicações que precisam de desempenho moderado do microcontrolador, neste tipo de aplicações os desenvolvedores podem diminuir a frequência de operação de GHz para MHz e até mesmo a frequência mínima necessária para execute o microcontrolador. Embora, em alguns casos, o desempenho ideal seja necessário e também o tempo de execução seja crítico, como ao dirigir ADCs flash externos sem buffer FIFO ou no processamento de vídeo e muitos outros aplicativos, nessas áreas os desenvolvedores podem usar a frequência ideal do microcontrolador. Mesmo usando neste tipo de ambiente, os desenvolvedores podem codificar de forma inteligente para diminuir o comprimento do código, escolhendo a instrução certa.
Por exemplo: Se o loop 'for' está recebendo mais instruções e alguém pode usar várias linhas de instruções que utilizam menos memória para fazer a tarefa sem usar o loop for , os desenvolvedores podem ir com várias linhas de instruções evitando o uso do loop 'for' .
A seleção da frequência apropriada para o microcontrolador depende dos requisitos da tarefa. Frequência mais alta significa maior consumo de energia, mas também mais poder de computação. Portanto, essencialmente, a escolha da frequência é uma compensação entre o consumo de energia e a capacidade de computação necessária.
Além disso, a principal vantagem de trabalhar em baixa frequência é a baixa corrente de alimentação, além de menor RFI (Radio Frequency Interference).
Corrente de alimentação (I) = Corrente quiescente (I q) + (K x Frequência)
O segundo termo é predominante. A energia RFI de um microcontrolador é tão pequena que é muito fácil de filtrar.
Portanto, se o aplicativo precisa de uma velocidade rápida, não se preocupe em rodar rápido. Mas se o consumo de energia for uma preocupação, execute o mais lento que o aplicativo permitir.
Técnica de troca de freqüência de relógio
A unidade PLL (Phases Lock Loop) sempre existe em um MCU de alto desempenho funcionando em alta velocidade. O PLL aumenta a frequência de entrada para uma frequência mais alta, por exemplo, de 8 MHz a 32 Mhz. É opção do desenvolvedor escolher a frequência de operação apropriada para a aplicação. Alguns aplicativos não precisam ser executados em alta velocidade; nesse caso, os desenvolvedores precisam manter a frequência do clock do MCU o mais baixo possível para executar a tarefa. No entanto, em uma plataforma de frequência fixa, como o MCU de 8 bits de baixo custo que não contém unidade PLL, deve-se melhorar o código de instrução para reduzir a energia de processamento. Além disso, o MCU que contém uma unidade PLL não pode explorar os benefícios da técnica de comutação de frequência que permite que o MCU opere em alta frequência no período de processamento de dados e depois retorne à operação de baixa frequência durante o período de transmissão de dados.
A figura explica o uso da unidade PLL na técnica de chaveamento de frequência.
Selecionando modos de operação de gerenciamento de relógio
Alguns dos microcontroladores de alta velocidade suportam diferentes modos de gerenciamento de relógio, como modo de parada, modos de gerenciamento de energia (PMMs) e modo inativo. É possível alternar entre esses modos, permitindo ao usuário otimizar a velocidade do dispositivo enquanto o consumo de energia.
Fonte de relógio selecionável
O oscilador de cristal é um grande consumidor de energia em qualquer microcontrolador, especialmente durante a operação de baixa energia. O oscilador em anel, usado para partidas rápidas no modo Stop, também pode ser usado para fornecer uma fonte de relógio de aproximadamente 3 a 4 MHz durante a operação normal. Embora um oscilador de cristal ainda seja necessário na inicialização, uma vez que o cristal tenha estabilizado, a operação do dispositivo pode ser alternada para o oscilador de anel, realizando uma economia de energia de até 25 mA.
Controle de velocidade do relógio
A frequência de operação de um microcontrolador é o maior fator na determinação do consumo de energia. A família de microcontroladores de microcontroladores de alta velocidade oferece suporte a diferentes modos de gerenciamento de velocidade de clock que conservam energia diminuindo ou parando o clock interno. Esses modos permitem que o desenvolvedor do sistema maximize a economia de energia com um impacto mínimo no desempenho.
Execução de software a partir de memória não volátil ou RAM
Os desenvolvedores devem considerar cuidadosamente se o software é executado a partir de memórias não voláteis ou RAM ao estimar o consumo atual. A execução da RAM pode oferecer especificações de corrente ativa mais baixas; entretanto, muitos aplicativos não são pequenos o suficiente para serem executados apenas na RAM e exigem que os programas sejam executados em uma memória não volátil.
Relógios de ônibus habilitados ou desabilitados
A maioria dos aplicativos de microcontrolador requer acesso a memórias e periféricos durante a execução do software. Isso requer que os relógios de barramento sejam habilitados e deve ser considerado nas estimativas de corrente ativa.
Usando o oscilador interno
Usar osciladores internos e evitar osciladores externos pode economizar energia significativa. Conforme os osciladores externos consomem mais corrente, resulta em mais uso de energia. Além disso, não é obrigatório o uso de oscilador interno, pois osciladores externos são aconselháveis quando as aplicações exigem mais frequência de clock.
Conclusão
Fazer um produto de baixo consumo de energia começa com uma escolha de MCU e é significativamente difícil quando diversas opções estão disponíveis no mercado. A modificação da frequência pode ter um grande impacto no uso de energia e também dar um bom resultado de consumo de energia. A vantagem adicional de modificar a frequência é que não há custo adicional de hardware e pode ser implementado facilmente no software. Esta técnica pode ser usada para melhorar a eficiência energética de um MCU de baixo custo. Além disso, a quantidade de economia de energia depende da diferença entre as frequências operacionais, o tempo de processamento de dados e a arquitetura do MCU. A economia de energia de até 66,9% pode ser alcançada usando a técnica de comutação de frequência em comparação com a operação normal.
No final do dia, para os desenvolvedores, atender às necessidades de maior funcionalidade do sistema e objetivos de desempenho enquanto aumenta a vida útil da bateria dos produtos é um desafio significativo. Para desenvolver produtos com eficácia que proporcionem a vida útil mais longa possível da bateria - ou até mesmo operem sem bateria - é necessário um conhecimento profundo dos requisitos do sistema e das especificações atuais do microcontrolador. Isso é muito mais complexo do que simplesmente estimar quanta corrente o MCU consome quando ativo. Dependendo do aplicativo que está sendo desenvolvido, a modificação de frequência, a corrente de espera e a corrente periférica podem ter um impacto mais significativo na vida útil da bateria do que a energia MCU.
Este artigo foi criado para ajudar os desenvolvedores a entender como os MCUs consomem energia em termos de frequência e podem ser otimizados com modificações de frequência.