如今，微控制器 （MCU） 的應(yīng)用范圍非常廣泛。雖然這些無(wú)處不在的計(jì)算引擎在處理能力、外設(shè)產(chǎn)品和更高效的功耗方面取得了進(jìn)步，但應(yīng)用程序的數(shù)量仍在以令人難以置信的速度增長(zhǎng)。

隨著應(yīng)用需求的擴(kuò)大，微控制器上的關(guān)鍵系統(tǒng)組件也隨之增加，時(shí)鐘系統(tǒng)就是其中之一。該系統(tǒng)在微控制器中起著關(guān)鍵作用，對(duì)整體系統(tǒng)性能的各個(gè)方面都至關(guān)重要，包括優(yōu)化功耗、精確計(jì)時(shí)、通信接口時(shí)鐘以及微控制器內(nèi)其他關(guān)鍵組件的內(nèi)部時(shí)鐘要求。

資源和要求

時(shí)鐘系統(tǒng)可以被認(rèn)為是一個(gè)資源池，稱為時(shí)鐘資源（見(jiàn)圖 1）。每個(gè)時(shí)鐘資源都針對(duì)主要目的進(jìn)行了優(yōu)化，即使它可以用于系統(tǒng)內(nèi)的各種功能。時(shí)鐘系統(tǒng)通常包括各種時(shí)鐘源，稱為系統(tǒng)時(shí)鐘。這些系統(tǒng)時(shí)鐘用于控制各種子系統(tǒng)組件，例如 CPU、總線接口、外設(shè)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。由于應(yīng)用要求可能有很大差異，每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘都提供多個(gè)時(shí)鐘資源。

圖 1：典型的微控制器時(shí)鐘系統(tǒng)提供大量時(shí)鐘資源以滿足各種應(yīng)用要求。

鑒于通用 MCU 可用于數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)應(yīng)用，時(shí)鐘系統(tǒng)必須具有高度可編程性。這允許在特定應(yīng)用中根據(jù)需要重新配置時(shí)鐘系統(tǒng)。一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用只需要靜態(tài)配置，時(shí)鐘系統(tǒng)在初始化時(shí)只配置一次。其他人則需要?jiǎng)討B(tài)配置，以允許根據(jù)應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)行為重新配置時(shí)鐘系統(tǒng)。

時(shí)鐘系統(tǒng)中可用的時(shí)鐘資源類型很重要。應(yīng)用程序具有實(shí)現(xiàn)特定功能所需的不同需求。例如，實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)需要一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)基，以便在應(yīng)用程序的整個(gè)生命周期內(nèi)保持時(shí)間。大多數(shù)時(shí)鐘系統(tǒng)都有一個(gè)集成振蕩器，支持最常見(jiàn)的可用手表晶體，32，768 Hz。外部晶體需要適當(dāng)?shù)呢?fù)載電容來(lái)正確設(shè)置頻率中心并優(yōu)化啟動(dòng)。

為了降低系統(tǒng)成本，一些微控制器集成了可編程負(fù)載電容器，允許一系列電容值來(lái)支持最常見(jiàn)的晶體負(fù)載要求。一些系統(tǒng)已經(jīng)有可用的實(shí)時(shí)時(shí)鐘資源。對(duì)于這些系統(tǒng)，旁路模式可以允許此資源與微控制器共享。以類似的方式，微控制器時(shí)鐘系統(tǒng)可以輸出緩沖的實(shí)時(shí)時(shí)鐘源，以便在需要時(shí)在系統(tǒng)的其他地方使用。

在過(guò)去幾年中，微控制器頻率范圍急劇增加。隨著軟件復(fù)雜性水平的提高，處理要求推動(dòng)了頻率范圍的擴(kuò)大。大多數(shù) MCU 有多種方法來(lái)生成系統(tǒng)所需的高速時(shí)鐘，最常見(jiàn)的是使用不需要外部組件的嵌入式振蕩器。這節(jié)省了組件成本，更重要的是，降低了微控制器的引腳要求。振蕩器通常設(shè)計(jì)為具有良好的啟動(dòng)時(shí)間，以及在電壓和溫度范圍內(nèi) 1% 到 3% 的相當(dāng)嚴(yán)格的容差。

發(fā)現(xiàn)故障并防止錯(cuò)誤

時(shí)鐘系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵方面是系統(tǒng)時(shí)鐘的可靠性，尤其是處理器時(shí)鐘。理想情況下，處理器時(shí)鐘應(yīng)該隨時(shí)可用，以確保應(yīng)用程序可以從可能導(dǎo)致死鎖情況的系統(tǒng)錯(cuò)誤中恢復(fù)。由于時(shí)鐘系統(tǒng)是高度可編程的，如果代碼執(zhí)行誤入歧途，它會(huì)因不正確或無(wú)意的編程而帶來(lái)一些風(fēng)險(xiǎn)。

大多數(shù)時(shí)鐘系統(tǒng)對(duì)所有關(guān)鍵時(shí)鐘系統(tǒng)配置寄存器都有密碼保護(hù)訪問(wèn)。這最大限度地減少了由于錯(cuò)誤代碼執(zhí)行而導(dǎo)致的意外配置的可能性。此外，一個(gè)好的時(shí)鐘系統(tǒng)應(yīng)該有其他硬件機(jī)制來(lái)防止死鎖情況。

一個(gè)很好的例子是所有晶體資源的適當(dāng)故障安全機(jī)制。由于電路板磨損、靜電放電事件、焊點(diǎn)薄弱和其他原因，外部晶體或諧振器可能會(huì)失效。如果處理器系統(tǒng)時(shí)鐘使用晶體作為其資源并且它發(fā)生故障，這可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘丟失，并且可能會(huì)發(fā)生死鎖情況。

為了防止這種情況，大多數(shù)微控制器都有硬件機(jī)制來(lái)檢查晶體是否正常運(yùn)行。檢查包括不振蕩或可能在不適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)振蕩。無(wú)論如何，如果檢測(cè)到故障，系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)自動(dòng)切換到已知的良好時(shí)鐘資源，從而允許應(yīng)用程序代碼繼續(xù)執(zhí)行。此外，還會(huì)向應(yīng)用程序報(bào)告錯(cuò)誤條件，例如不可屏蔽中斷或復(fù)位條件，應(yīng)用程序可以在這些條件下確定要采取的操作。這種已知的良好時(shí)鐘源通常是完全嵌入式的振蕩器，在啟動(dòng)特性和振蕩可靠性方面非常穩(wěn)健。

提高能源效率

大多數(shù) MCU 應(yīng)用需要低功耗或超低功耗。由于許多應(yīng)用使用有限的能源，例如小型、低容量電池，產(chǎn)品壽命取決于能源的有效使用。節(jié)約能源的最佳方法是在給定時(shí)間使用適當(dāng)數(shù)量的能源，并在所有其他時(shí)間將所有能源消耗降至最低。這是經(jīng)典的占空比曲線。通常，大多數(shù)供應(yīng)商將此稱為活動(dòng)時(shí)間與睡眠或待機(jī)時(shí)間。設(shè)備可以保持睡眠時(shí)間的時(shí)間越長(zhǎng)，整體消耗的能量就越少。

時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于最大限度地減少睡眠或待機(jī)操作期間的能量需求至關(guān)重要。大多數(shù)待機(jī)或睡眠模式的特點(diǎn)是使用低頻時(shí)鐘。有幾個(gè)選項(xiàng)可以提供這種低頻時(shí)鐘操作。

手表水晶就是這樣一種資源。它的額定工作頻率為 32 kHz，非常精確，并且可以設(shè)計(jì)為在 500 nA 或更低的極低電流消耗下工作，具體取決于晶體類型。如果系統(tǒng)中已經(jīng)有手表水晶，這是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因此不會(huì)產(chǎn)生額外費(fèi)用。如果不需要晶體，嵌入式振蕩器是另一個(gè)有效的選擇，它的功耗極低，有些低至 100 nA。

這些振蕩器通常涉及功率與精度之間的權(quán)衡。更高的精度通常需要消耗更高的功率。振蕩器受溫度和電壓變化的影響，這在某些應(yīng)用中可能很重要。因此，許多微控制器為此目的具有各種時(shí)鐘資源，其中一些具有更高的功率要求但改進(jìn)了精度或漂移特性。這些振蕩器堅(jiān)固耐用且成本低廉，無(wú)需外部組件或引腳。

時(shí)鐘系統(tǒng)的另一個(gè)可以顯著降低功耗的重要方面是時(shí)鐘分配邏輯，它涉及到各種時(shí)鐘系統(tǒng)如何在 MCU 內(nèi)部進(jìn)行路由或分配。由于時(shí)鐘是動(dòng)態(tài)功耗的關(guān)鍵因素，因此時(shí)鐘分配邏輯的完成必須以最大限度地減少不必要的時(shí)鐘負(fù)載和時(shí)鐘切換的方式完成。不需要時(shí)，所有系統(tǒng)時(shí)鐘都應(yīng)關(guān)閉或保持靜止。此外，只有需要特定系統(tǒng)時(shí)鐘的邏輯才能被視為相應(yīng)時(shí)鐘的負(fù)載。

許多微控制器將特定的系統(tǒng)時(shí)鐘分成幾個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘，這些時(shí)鐘只為特定的模塊或外圍設(shè)備供電。當(dāng)特定模塊需要系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求，只有請(qǐng)求時(shí)鐘的模塊才會(huì)接收它，從而大大降低了整體動(dòng)態(tài)功耗。

適用于多種應(yīng)用的靈活設(shè)計(jì)

為微控制器設(shè)計(jì)時(shí)鐘系統(tǒng)涉及許多方面。德州儀器 （TI） 的 MSP430 5xx/6xx 系列微控制器包含許多前面描述的必要組件。這些 MCU 支持低頻手表晶體操作，以及廣泛的高頻晶體。兩個(gè)晶體都具有故障安全邏輯，可以在旁路模式下使用。時(shí)鐘系統(tǒng)還包含一個(gè)帶有鎖頻環(huán) （FLL） 的嵌入式振蕩器，無(wú)需外部組件即可實(shí)現(xiàn)高頻操作。FLL 允許任何倍數(shù)的低頻時(shí)鐘作為其參考，從而提供了頻率選擇的靈活性。

低于 100 nA 的極低功耗嵌入式振蕩器可用于低功耗、非精確、無(wú)晶體時(shí)鐘應(yīng)用。更精確的低功耗嵌入式振蕩器也可用于更嚴(yán)格的時(shí)鐘需求。此外，復(fù)雜的時(shí)鐘分配邏輯與高度靈活的時(shí)鐘請(qǐng)求系統(tǒng)一起提供。時(shí)鐘系統(tǒng)的所有這些方面使 TI 的 MSP430 5xx/6xx 系列微控制器能夠以低功耗、經(jīng)濟(jì)高效的方式服務(wù)于各種不同的微控制器應(yīng)用。

審核編輯：郭婷