如今，微控制器 （MCU） 的應用范圍非常廣泛。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步，但應用程序的數(shù)量仍在以令人難以置信的速度增長。

隨著應用需求的擴大，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用要求。

鑒于通用 MCU 可用于數(shù)百甚至數(shù)千個應用，時鐘系統(tǒng)必須具有高度可編程性。這允許在特定應用中根據(jù)需要重新配置時鐘系統(tǒng)。一些簡單的應用只需要靜態(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)需要一個準確的時基，以便在應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?shù)呢撦d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載電容器，允許一系列電容值來支持最常見的晶體負載要求。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。隨著軟件復雜性水平的提高，處理要求推動了頻率范圍的擴大。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% 的相當嚴格的容差。

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，處理器時鐘應該隨時可用，以確保應用程序可以從可能導致死鎖情況的系統(tǒng)錯誤中恢復。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訪問。這最大限度地減少了由于錯誤代碼執(zhí)行而導致的意外配置的可能性。此外，一個好的時鐘系統(tǒng)應該有其他硬件機制來防止死鎖情況。

一個很好的例子是所有晶體資源的適當故障安全機制。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制來檢查晶體是否正常運行。檢查包括不振蕩或可能在不適當?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，從而允許應用程序代碼繼續(xù)執(zhí)行。此外，還會向應用程序報告錯誤條件，例如不可屏蔽中斷或復位條件，應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 應用需要低功耗或超低功耗。由于許多應用使用有限的能源，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)供應商將此稱為活動時間與睡眠或待機時間。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操作期間的能量需求至關(guān)重要。大多數(shù)待機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載和時鐘切換的方式完成。不需要時，所有系統(tǒng)時鐘都應關(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時鐘的負載。

許多微控制器將特定的系統(tǒng)時鐘分成幾個單獨的時鐘，這些時鐘只為特定的模塊或外圍設(shè)備供電。當特定模塊需要系統(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、無晶體時鐘應用。更精確的低功耗嵌入式振蕩器也可用于更嚴格的時鐘需求。此外，復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)濟高效的方式服務于各種不同的微控制器應用。

審核編輯：郭婷