如今，微控制器 （MCU） 的應(yīng)用范圍非常廣泛。雖然這些無處不在的計算引擎在處理能力、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。

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，對整體系統(tǒng)性能的各個方面都至關(guān)重要，包括優(yōu)化功耗、精確計時、通信接口時鐘以及微控制器內(nèi)其他關(guān)鍵組件的內(nèi)部時鐘要求。

資源和要求

時鐘系統(tǒng)可以被認(rèn)為是一個資源池，稱為時鐘資源（見圖 1）。每個時鐘資源都針對主要目的進(jìn)行了優(yōu)化，即使它可以用于系統(tǒng)內(nèi)的各種功能。時鐘系統(tǒng)通常包括各種時鐘源，稱為系統(tǒng)時鐘。這些系統(tǒng)時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，每個系統(tǒng)時鐘都提供多個時鐘資源。

圖 1：典型的微控制器時鐘系統(tǒng)提供大量時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)千個應(yīng)用，時鐘系統(tǒng)必須具有高度可編程性。這允許在特定應(yīng)用中根據(jù)需要重新配置時鐘系統(tǒng)。一些簡單的應(yīng)用只需要靜態(tài)配置，時鐘系統(tǒng)在初始化時只配置一次。其他人則需要動態(tài)配置，以允許根據(jù)應(yīng)用程序的實時行為重新配置時鐘系統(tǒng)。

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

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支持最常見的晶體負(fù)載要求。一些系統(tǒng)已經(jīng)有可用的實時時鐘資源。對于這些系統(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，微控制器時鐘系統(tǒng)可以輸出緩沖的實時時鐘源，以便在需要時在系統(tǒng)的其他地方使用。

在過去幾年中，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，處理要求推動了頻率范圍的擴(kuò)大。大多數(shù) MCU 有多種方法來生成系統(tǒng)所需的高速時鐘，最常見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)計為具有良好的啟動時間，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)故障并防止錯誤

時鐘系統(tǒng)的一個關(guān)鍵方面是系統(tǒng)時鐘的可靠性，尤其是處理器時鐘。理想情況下，處理器時鐘應(yīng)該隨時可用，以確保應(yīng)用程序可以從可能導(dǎo)致死鎖情況的系統(tǒng)錯誤中恢復(fù)。由于時鐘系統(tǒng)是高度可編程的，如果代碼執(zhí)行誤入歧途，它會因不正確或無意的編程而帶來一些風(fēng)險。

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

一個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、焊點薄弱和其他原因，外部晶體或諧振器可能會失效。如果處理器系統(tǒng)時鐘使用晶體作為其資源并且它發(fā)生故障，這可能會導(dǎo)致時鐘丟失，并且可能會發(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。無論如何，如果檢測到故障，系統(tǒng)時鐘會自動切換到已知的良好時鐘資源，從而允許應(yīng)用程序代碼繼續(xù)執(zhí)行。此外，還會向應(yīng)用程序報告錯誤條件，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。這種已知的良好時鐘源通常是完全嵌入式的振蕩器，在啟動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間使用適當(dāng)數(shù)量的能源，并在所有其他時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)商將此稱為活動時間與睡眠或待機(jī)時間。設(shè)備可以保持睡眠時間的時間越長，整體消耗的能量就越少。

時鐘系統(tǒng)設(shè)計對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)或睡眠模式的特點是使用低頻時鐘。有幾個選項可以提供這種低頻時鐘操作。

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，這是一個不錯的選擇，因此不會產(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。這些振蕩器堅固耐用且成本低廉，無需外部組件或引腳。

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

許多微控制器將特定的系統(tǒng)時鐘分成幾個單獨(dú)的時鐘，這些時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)時鐘時，它會發(fā)送一個請求，只有請求時鐘的模塊才會接收它，從而大大降低了整體動態(tài)功耗。

適用于多種應(yīng)用的靈活設(shè)計

為微控制器設(shè)計時鐘系統(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。兩個晶體都具有故障安全邏輯，可以在旁路模式下使用。時鐘系統(tǒng)還包含一個帶有鎖頻環(huán) （FLL） 的嵌入式振蕩器，無需外部組件即可實現(xiàn)高頻操作。FLL 允許任何倍數(shù)的低頻時鐘作為其參考，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、無晶體時鐘應(yīng)用。更精確的低功耗嵌入式振蕩器也可用于更嚴(yán)格的時鐘需求。此外，復(fù)雜的時鐘分配邏輯與高度靈活的時鐘請求系統(tǒng)一起提供。時鐘系統(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