低功耗已成為 MCU 的必備特性。本文介紹了 Renesas Snooze 功能的使用，并提供了一個示例應用程序，在該應用程序中，平均電流節省了 31%。

　　在過去幾年中，設計人員對低功耗運行的需求急劇增長，尤其是在用于消費、工業、辦公和醫療應用的便攜式電子設備中，在這些應用中，購買者表現出對延長使用壽命、更小尺寸和復雜功能的不懈渴望。

　　為了支持這些最終用戶的需求，瑞薩在 16 位 MCU 領域推出了 RL78/G12 和 RL78/G13 MCU 組。

　　除了出色的一般低功耗特性外，RL78 系列還具有一些特定功能，可通過關閉器件的主要部分來進一步降低工作功耗，同時仍允許關鍵外圍模塊繼續運行。特別是，為了方便系統設計人員，RL78 增加了貪睡模式。此功能允許常見的數據采集或數據傳輸功能在無需“喚醒”CPU 的情況下運行，從而顯著降低了許多典型 MCU 功能的功耗。與 CPU 必須保持活動并協助常見外圍功能的其他低功耗模式相比，這種操作靈活性是一個顯著優勢。

　　例如，在 RL78/G13 貪睡模式下，A/D 轉換器可以在不喚醒 CPU 的情況下完成轉換。由于在貪睡模式下運行的 A/D 轉換僅需要 0.5 mA 而不是使用運行模式所需的 5 mA，因此這可以節省大量電力。本文通過一個設計示例應用程序解釋了在 RL78 的整體低功耗功能的背景下如何使用貪睡功能，該應用程序定期測量模擬信號并在信號超出工作范圍時發出警報。

　　提出了兩種不同的實現：一種不使用貪睡模式操作，另一種使用。RL78/G13 MCU 組的數據表編號將用于比較。我們將展示對于這個典型示例，當使用貪睡模式而不是沒有貪睡功能的實現時，可以節省 31% 的功耗。

　　RL78 特性

　　RL78 系列由兩個流行的瑞薩 MCU 系列 78 K 和 R8C 演變而來。RL78 的設計利用了這些產品系列背后的多年經驗，包括 CPU 內核和各種經過驗證的外圍功能。這樣可以有效地重用與以前的 78K 和 R8C 產品一起使用的軟件資源。

　　RL78/G12 和 RL78/G13 系列具有 2 KB 至 512 KB 的片上單電源閃存、0.25 KB 至 32 KB 的 RAM 數據存儲器和高達 8 KB 的閃存數據存儲器。1.6 V 至 5.5 V 的寬工作范圍使其易于在基于電池的應用中使用，在這些應用中，隨著電池逐漸放電，電壓可能會隨時間變化。在運行模式下，RL78/G13 在 32 MHz 下提供 41 個 DMIP，而僅需要 66 uA/MHz 的工作電流。這樣可以盡快完成重要功能，從而顯著減少關鍵操作期間的電流消耗。下面的圖 1 顯示了 RL78/G13 MCU 的關鍵元件。

　　圖 1：RL78/G13 的關鍵要素。

　　RL78/G13 提供全功能 DMA 控制器、時鐘生成、上電復位、低電壓檢測器、硬件支持復雜的算術功能（16 位乘 16 位乘法、32 位乘 32 位除法、16 位通過 16 位乘以 32 位累加）和單線調試接口來加速開發。安全功能包括提高系統可靠性的特殊自診斷和錯誤檢查功能。

　　四種基本模式

　　降低功耗的常用策略包括降低時鐘頻率或在不需要時關閉某些外圍設備。這些技術可以將平均電流調整到幾毫安或更小。另一種方法利用定時器（如 RTC）來維持系統控制，同時允許 CPU 和外圍設備在大多數時間停止。在這里，通?？梢垣@得低至 10 或 100 微安的平均電流。當系統被允許在需要之前完全處于非活動狀態時，使用中斷來喚醒芯片，甚至可以實現更低的電流，通常小于微安。

　　RL78 為系統設計人員提供了極大的靈活性，可以動態調整 MCU 狀態以最大限度地降低功耗。它有四種基本模式——操作、暫停、貪睡和停止。這些模式的操作流程圖如下圖 2 所示。每個都有不同的功率特性。

　　RL78/G13 器件在待機運行時具有出色的低功耗特性；即，在暫?；蛲Ｖ鼓Ｊ较?。例如，當使用運行實時時鐘 （RTC） 和低壓檢測器 （VLD） 功能的 32 kHz 內部振蕩器時，它們在暫停模式下的電流要求較低，僅為 0.57 μA。當芯片在周期性操作之間等待時，這種性能可以保持低電流消耗，這是基于電池的設計中的常見情況。

　　圖 2：四種操作模式的流程圖。

　　在 Halt 模式下，CPU 時鐘被禁用以節省功耗，但所有外圍功能都可以運行，主時鐘或副時鐘可以保持活動狀態?；顒訒r鐘允許 CPU 立即重新啟動。外設（如 DMA 控制器）運行不受阻礙——例如在外設和內存之間傳輸數據而無需 CPU 干預。

　　時鐘以最高 32 MHz 的頻率運行以供外設使用時，暫停模式下的電流消耗為 1.1 mA，而工作模式下的電流消耗為 5.1 mA。

　　在使功耗盡可能低的 STOP 模式下，高速系統時鐘振蕩器和內部高速振蕩器被禁用，從而停止整個系統。32 kHz 子時鐘仍可在停止模式下運行，保持實時時鐘 （RTC） 和 12 位間隔定時器處于活動狀態。此外，低壓檢測 （LVD） 電路、看門狗定時器和外部中斷都處于活動狀態。所有活動源都可以將 CPU 喚醒到操作模式。MCU 在啟用 RTC 和 LVD 的停止模式下通常消耗 0.57 μA。

　　引入貪睡模式

　　在貪睡模式下，一些外圍功能可以“喚醒”并執行簡單的操作，而無需“喚醒”CPU。當特定外設通過退出停止模式并啟用正在執行的操作所需的適當外設時鐘來觸發數據接收事件時，可以實現這一點。大多數外圍功能都被禁用，但有一些例外；即RTC、間隔定時器、看門狗定時器、上電復位、低電壓檢測、外部中斷和按鍵中斷都可以工作。然而，它們也可以被選擇性地禁用以節省更多電量。只有選擇子系統時鐘作為計數時鐘，時鐘輸出才可操作。定時器陣列單元、乘法器/除法器、DMA 控制器、高速 CRC、CRC 操作和非法存儲器訪問功能均被禁用。

　　例如，當 RTC 或間隔定時器中斷發出轉換開始的信號時，A/D 轉換器從數據轉換接收數據可以通過喚醒以在貪睡模式下運行。通常，在 STOP 模式下 A/D 轉換會停止，但通過使用 SNOOZE 模式，可以在不操作 CPU 的情況下執行 A/D 轉換。A/D 轉換在貪睡模式下僅使用 0.5 mA，但在運行模式下使用 5 mA。

　　同樣，當檢測到串行時鐘輸入引腳 （SCKp） 邊沿時，同步串行端口可以“喚醒”。當檢測到 RxD 輸入的邊沿時，UART 可以“喚醒”。這避免了與從停止到運行的正常轉換相關的“喚醒”時間，并且可以節省大量電力。

　　當貪睡模式轉換到運行模式時，喚醒時間（時鐘穩定所需）為 20 微秒。

　　在停止模式下，所有外設都可操作，而在貪睡模式下，外設的時鐘被禁用，除了 ADC、UART 和 CSI 配置時。

　　示例顯示貪睡操作的好處

　　為了更好地了解貪睡模式操作的好處，我們將檢查示例設計的功耗。所選設計是一種必須定期測量模擬信號的常見應用類型。（在這種情況下，模擬信號表示溫度，但它可以是各種周期性傳感器測量中的任何一種。）我們首先在不使用貪睡模式的情況下計算了預期的功耗。接下來，我們計算了使用貪睡模式時的預期功耗。對所產生的功耗估計值進行比較后，我們將通過數值衡量貪睡模式在常見設計類型中的優勢。

　　該遠程溫度傳感器將使用瑞薩電子 RL78/G13 MCU 作為主控制器，以實現更高級別的程序功能。片上 A/D 轉換器將用于通過模擬輸入引腳測量溫度。溫度將使用四個位置的四個獨立傳感器測量。UART 端口將用于使用外部無線收發器與中央控制系統進行通信。串行閃存將存儲事件記錄數據，MCU 將通過 SPI 端口與內存通信。GPIO 端口將用于通過 7 段 LCD 顯示測量值和狀態。該系統的框圖如下圖 3 所示。

　　圖 3：遠程溫度傳感器的框圖。

　　遠程溫度傳感器示例的主要功能的程序流程如下圖所示。

　　圖 4：遠程溫度傳感器程序流程。

　　功耗估算

　　為了估算每個運行周期所需的總電流，我們可以簡單地將每個電流分量乘以運行時間，然后將它們中的每一個相加。計算如下表1所示。循環期間的工作電流在 0.5 秒內為 0.57 uA，因此平均電流為 1.14 uA。

　　表 1：平均當前估計值 - 沒有貪睡。

　　使用貪睡模式可將測量溫度功能的工作電流從 5.2 mA 降低到 1.12 mA。其他工作電流不變。循環期間的工作電流降低至 0.39 μA，平均為 0.791 μA，節省約 31%。見下表 2。

　　表 2：電源使用配置文件 - 有貪睡。

　　結論

　　瑞薩電子的 RL78/G12 和 RL78/G13 MCU 是推薦用于要求低功耗操作要求的嵌入式系統的解決方案，因為它們提供了先進的電源管理功能。除了提供業界最低功耗等級之一，RL78 系列還提供省電貪睡模式，在該模式下，A/D 轉換和串行通信可以在 CPU 處于待機狀態時繼續，而 CPU 僅被喚醒在需要的時候。

　　本文詳細介紹了 RL78/G13 系列 MCU 中可用的低功耗模式，并在示例應用中展示了通過使用特殊的貪睡功能實現了 31% 的平均電流節省。這種高性能和低功耗的結合使 RL78 非常適合各種功率受限的應用。