DE4112672C2

DE4112672C2 - Herabsetzung der Störströme eines Mikroprozessors

Info

Publication number: DE4112672C2
Application number: DE4112672A
Authority: DE
Inventors: Holger Jagdt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-04-18
Filing date: 1991-04-18
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2011-04-19
Also published as: DE4112672A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herabset zung der Störströme eines Mikroprozessors, der mit einer bestimmten Arbeitstaktfrequenz angesteuert wird.

Die Störströme eines Mikroprozessors sind bekanntlich von der Arbeitstaktfrequenz abhängig und können umso niedriger gehalten werden, je geringer die Arbeitstaktfrequenz gewählt wird. Auf der anderen Seite sinkt selbstverständ lich die Leistung eines Mikroprozessors mit der Verminde rung der Arbeitstaktfrequenz, so daß Störströme im Hinblick auf die Ausnutzung der Arbeitsleistung des Mikroprozessors nicht restlos zu vermeiden sind.

Das Auffinden eines technisch/wirtschaftlichen Kompromisses bei der Auslegung von Mikroprozessoren wird außerdem dadurch erschwert, daß Mikroprozessoren im allgemeinen nicht für einen engen, genau definierten Anwendungszweck konzipiert werden, weil dann nur geringe Stückzahlen benö tigt werden und eine wirtschaftliche Fertigung nicht mög lich ist. So werden beispielsweise Mikroprozessoren die für die Anzeigegeräte im Armaturenbrett eines Kraftfahrzeugs bestimmt sind, so ausgelegt, daß sie für alle Varianten der vorgesehenen Kraftfahrzeug-Baureihe geeignet sind. Dabei muß man sich nach dem Modell der Baureihe richten, bei dem die höchste Programmaktivität erforderlich ist. Für das Modell der Baureihe mit der niedrigsten Programmaktivität ist der Mikroprozessor dann selbstverständlich mehr oder weniger überdimensioniert, ohne daß es wirtschaftlich ver tretbar wäre, für die Baureihe mehr als einen Mikroprozes sor zu konzipieren.

Eine weitere wichtige Einflußgröße sind die als Arbeitstaktfrequenzgeber benutzten Oszillatoren, die eben falls im Hinblick auf eine wirtschaftliche Großserienferti gung nicht für beliebige Frequenzen ausgelegt werden. Es werden vielmehr für gewisse, häufig benutzte Standardfre quenzen Quarze bzw. Keramikresonatoren angeboten, die so preiswert sind, daß man sich bei der Auslegung der Mikro prozessoren nach solchen Frequenzen richtet.

Zur Herabsetzung der Störströme eines Mikroprozessors, der mit einer bestimmten Arbeitstaktfrequenz beaufschlagt wird, kann man so vorgehen, daß man die Störströme bei einem Pro belauf mit der vorgesehenen Programmaktivität in der Appli kationsschaltung mißt und den Mikroprozessor auf der Pla tine dann zusätzlich mit entsprechenden Filterbauelementen, wie Drosseln, Kondensatoren usw. beschaltet. Es leuchtet ein, daß dieses Verfahren sehr aufwendig ist und - bei spielsweise wegen der Anpassung an die verschiedenen Kraftfahrzeugmodelle einer Baureihe - eine erhebliche Kom plizierung bei der Herstellung der Leiterplatten mit sich bringt, wodurch erhebliche Anteile der bei der Standardi sierung der Mikroprozessoren erzielten Einsparungen wieder verlorengehen. Hinzu kommt, daß sich die verschiedenen Lei terplatten äußerlich kaum voneinander unterscheiden, so daß leicht Verwechselungen mit erheblichen Folgeschäden auftre ten können.

Aus der DE 38 02 863 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer taktgesteuerten Einrichtung bekannt, das zur Herabsetzung der Störsysteme eines Mikroprozessors mit einer bestimmten Arbeitstaktfrequenz angesteuert wird. Die Variation der Arbeitstaktfrequenz erfolgt hierbei von Hand. Aus der DE 40 07 982 A1 ist eine Tonwiedergabevorrichtung mit einem zwischen zwei Taktraten umschaltbaren Taktpulsgenerator bekannt. Zur Herabsetzung von Störströmen wird in Abhängigkeiten von bestimmten Programmaktivitäten eine erste, eine zweite oder gar keine Taktfrequenz für den Taktimpulsgenerator eingestellt. Eine optimale Herabsetzung der Störströme eines Mikroprozessors wird auch hierbei nicht erreicht.

Es besteht somit die Aufgabe, unter Berücksichtigung der beschriebenen Randbedingungen ein Verfahren zur Herabsetzung der Störstrome eines Mikroprozessors zu entwickeln, das die genannten Nachteile nicht aufweist und das ohne großen Aufwand auf die unterschiedlichen Programmaktivitäten eines Mikroprozessors bestimmter Rechenleistung anwendbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 9 oder 10 vorgeschlagen. Das Umschalten von hoher auf niedrige Arbeitstaktfrequenz kann dann periodisch erfolgen oder von einem Zufallsgenerator gesteuert werden. Ferner ist es möglich, nur das Umschalten von hoher Arbeitstaktfrequenz auf niedrige Arbeitstaktfrequenz periodisch oder zufällig vorzunehmen und das Umschalten von niedriger auf hohe Arbeitstaktfrequenz von ausgewählten Eingangssignalen des Mikroprozessors zu steuern. Nach einer weiteren Variante soll das Umschalten in beiden Richtungen grundsätzlich periodisch oder zufällig erfolgen, durch aus gewählte Eingangssignale bei Bedarf aber ein Umschalten auf die hohe Arbeitstaktfrequenz und - nach Beendigung der durch das Eingangssignal ausgelöste Programmaktivität - zurück auf periodische oder zufällige Arbeitstaktänderung bewirkt werden.

Andere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Ansprüchen 8 bis 14 beschrieben. Weitere Einzelheiten des Erfindungsgedankens werden anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die relative Programmaktivität eines Mikro prozessors über der Zeit,

Fig. 2 zeigt ein periodisches Umschaltmuster,

Fig. 3 zeigt ein zufälliges Umschaltmuster,

Fig. 4 zeigt ein Umschaltmuster mit Hochschalten bei einem ausgewählten Eingangssignal

Fig. 5 zeigt ein Umschaltmuster mit Hoch- und Runter schalten bei ausgewählten Eingangssignalen,

Fig. 6 zeigt die mittlere Arbeitstaktfrequenz in Abhän gigkeit von der relativen Programmaktivität

Fig. 7 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild für die Durch führung des Verfahrens.

In Fig. 1 ist ein Beispiel für die relative Programmakti vität eines Mikroprozessors über der Zeit aufgetragen, d. h. es ist dargestellt, zu welchem Prozentsatz die mit 100% angenommene Auslegungskapazität des Mikroprozessors während eines beliebigen Zeitintervalls ausgenutzt wird. Sofern dieses Zeitintervall für die gesamte Programmaktivität representativ ist, läßt sich daraus auch leicht die durch schnittliche Leistung x des Mikroprozessors berechnen oder anderweitig ermitteln. Die im dargestellten Beispiel bei etwa 43% liegt.

In Fig. 2 ist ein periodisches Umschaltmuster für zwei verschiedene Arbeitstaktfrequenzen dargestellt. Wird die hohe bzw. Auslegungsfrequenz mit f₀ und die niedrige Fre quenz mit f₁ bezeichnet, dann erhält man aus den folgenden Gleichungen die erforderlichen Einschaltzeiten.

x.f₀ = t₀.f₀ + t₁.f₁ mit t₀ + t₁ = T

x.f₀ = t₀.f₀ + (T - t₀). f₁

t₁ = T(1 - x)/(1 - f₀/f₁)

Wählt man f₀/f₁ < 0,01, d. h. die niedrigere Arbeitstaktfre quenz kleiner als 0,01.f₀, dann kann man den Nenner der letzten Gleichung vernachlässigen und erhält:

t₁ = T(1 - x) und t₀ = T.x

In dieser verkürzten Definition ist t₁ stets etwas zu klein, t₀ etwas zu groß, so daß man hinsichtlich der erfor derlichen Einschaltzeiten immer auf der sicheren Seite liegt.

Das Umschaltmuster gemäß Fig. 2 ist auf die durchschnitt liche Leistung x des Mikroprozessors nach Fig. 1 abge stimmt, d. h. bei 43% der Gesamtzeit T ist die hohe Arbeitstaktfrequenz f₀ eingeschaltet und in der restlichen Zeit die niedrige Arbeitstaktfrequenz f₁. Dabei kann der Zeitmaßstab in weiten Grenzen gewählt werden. Es muß nur gewährleistet sein, daß pro Sekunde mindestens 1000 mal auf die niedrige Arbeitstaktfrequenz umgeschaltet wird, damit das Störstromniveau der effektiven mittleren Arbeitstakt frequenz entspricht.

Dieselben Randbedingungen gelten auch für ein Umschaltmu ster gemäß Fig. 3, bei dem das Umschalten von einem Zufallsgenerator gesteuert wird. Durch zufälliges Umschal ten läßt sich der Störpegel noch besser auf die von der durchschnittlichen Mikroprozessor-Leistung abhängige mitt lere Arbeitszeitfrequenz reduzieren als beim periodischen Umschaltmuster.

Bestimmte Eingangssignale, beipielsweise die Angaben über die Raddrehzahlen bei ABS-Anlagen, müssen sofort mit hoher Arbeitstaktfrequenz verarbeitet werden. Für solche Fälle ist deswegen vorgesehen, daß zumindest das Umschalten auf die hohe Arbeitstaktfrequenz direkt von ausgewählten Ein gangssignalen gesteuert wird. Das sich daraus ergebende Umschaltmuster ist in Fig. 4 dargestellt. Einem periodi schen Umschalttakt mit x = 0,33 sind drei Eingangssignale überlagert, die ein sofortiges Umschalten auf hohe Arbeitstaktfrequenz bewirken, wobei im übrigen das periodi sche Umschaltmuster beibehalten wird. Es leuchtet ein, daß in diesem System keine optimale Absenkung des Störpegels möglich ist, weil die Gesamtzeit mit hoher Arbeitstaktfre quenz zwangsläufig höher liegt als die optimale Zeit t₀.

Um diesen Nachteil auszugleichen, kann man vorsehen, daß auch das Umschalten auf niedrige Arbeitstaktfrequenz von (anderen) ausgewählten Eingangssignalen gesteuert wird. Dabei ergibt sich ein Umschaltmuster gemäß Fig. 5.

Die gleichen vorgreifenden Umschaltungen sind selbstver ständlich auch bei einem zufälligen Umschaltmuster gemäß Fig. 3 möglich. Außerdem ist es möglich, das Umschalten auf die niedrigere Arbeitstaktfrequenz von demselben Ereig nis steuern zu lassen, das ein Umschalten auf die hohe Arbeitstaktfrequenz bewirkt hat.

In Fig. 6 ist die mittlere Arbeitstaktfrequenz f_m bezogen auf die hohe Arbeitstaktfrequenz f₀ über der durchschnitt lichen Leistung x des Mikroprozessors dargestellt. Man sieht, daß bei f₁/f₀ = 0,01 (und kleiner) die mittlere Arbeitstaktfrequenz f_m in Prozenten praktisch identisch mit der durchschnittlichen Leistung x des Mikroprozessors ist. Mit anderen Worten, für genügend große Unterschiede zwischen f₀ und f₁ kann man die für den Störpegel maßge bende mittlere Arbeitstaktfrequenz f_m mit der durchschnitt lichen Leistung x des Mikroprozessors gleichsetzen und die mögliche Störpegelabsenkung direkt abschätzen.

Im Schaltbild gemäß Fig. 7 wird der Mikroprozessor 1 von einem Oszillator 2 über einen Taktbuffer 3 und einen Umschalter 4 mit der jeweiligen Arbeitstaktfrequenz ange steuert. Dem Oszillator 2 sind verschiedene Frequenzteiler 5.1, 5.2 . . . 5.n zugeordnet, die die höchste Arbeitstaktfre quenz von beispielsweise 4,194 MHz (= 2²²) in verschiedenen vorgebbaren Verhältnissen herabsetzen. Dementsprechend kann der Mikroprozessor 1 wahlweise mit der höchsten Arbeitstaktfrequenz von 4,194 MHz oder mit einer (oder meh reren verschiedenen) wesentlich niedrigeren Arbeitstaktfre quenzen angesteuert werden. Dabei wird das Umschalten von einer Steuerschaltung 6 bewirkt, die für periodisches Umschalten von einem Timer 7 oder für zufälliges Zuschalten von einem Zufallsgenerator 8 angesteuert wird.

Die Steuerschaltung 6 kann ferner von einer Interrupt-Logik 9 angesteuert werden, die ihrerseits von ausgewählten Ein gangssignalen 14, 15 (z. B. Motordrehzahl, Fahrzeuggeschwin digkeit etc.) aktiviert wird. Die Interrupt-Logik 9 ist außerdem über einen Datenbus und einen IO-Port mit dem Mikroprozessor 1 verbunden.

Zur Schaltung gehört ferner ein IO-Port 11 für sonstige Eingangssignale 16, 17, wie z. B. Blinker, Lampenkontrolle sowie ein IO-Port 13 für eine Anzeige 12, die ebenfalls über einen Datenbus mit dem Mikroprozessor 1 verbunden sind.

Claims

1. Verfahren zur Herabsetzung der Störströme eines Mikro prozessors, der mit einer bestimmten Arbeitstaktfrequenz angesteuert wird, wobei der Mikropro zessor in Abhängigkeit von der Programmaktivität zeitweise auf eine wesentlich niedrigere Arbeitstaktfrequenz umge schaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmaktivität des Mikroprozessors in einem Testlauf von ausreichender Dauer und unter bestimmungsgemäßer Bela stung ermittelt, daß daraus die mittlere Programmaktivität pro Zeiteinheit (Leistung) berechnet und daraus durch einen Vergleich mit der Auslegungsleistung ein Maß für das Ver hältnis der Einschaltdauer von hoher zu niedriger Arbeitstaktfrequenz gewonnen wird.

2. Verfahren zur Herabsetzung der Störströme eines Mikropro zessors, der mit einer bestimmten Arbeitstaktfrequenz ange steuert wird, wobei der Mikroprozessor in Abhängigkeit von der Programmaktivität zeitweise auf eine wesentlich niedri gere Arbeitstaktfrequenz umgeschaltet wird, dadurch gekenn zeichnet, dass die Programmaktivität des Mikroprozessors unter Betriebsbedingungen laufend durch einen Pausenzähler ermittelt, die für eine vorgebbare Periode mittlerer Pro grammaktivität pro Zeiteinheit (Leistung) berechnet und dar aus durch einen Vergleich mit der Auslegungsleistung ein Maß für das Verhältnis der Einschaltdauer von hoher zu niedriger Arbeitstaktfrequenz gewonnen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten von hoher Arbeitstaktfrequenz auf niedrige Arbeitstaktfrequenz und umgekehrt periodisch erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten von hoher Arbeitstakt frequenz auf niedrigere Arbeitstaktfrequenz und umgekehrt durch einen Zufallsgenerator gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das Umschalten von hoher Arbeitstaktfre quenz auf niedrigere Arbeitstaktfrequenz periodisch oder zufällig erfolgt und daß das inverse Umschalten von ausge wählten Eingangssignalen des Mikroprozessors gesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Arbeitstaktfrequenz von einem Oszillator vorgegeben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Arbeitstaktfrequenz um den Faktor 2ⁿ, mit n = 1 bis 10, größer ist als die niedrigere Arbeitstaktfrequenz.

8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die hohe Arbeitstaktfrequenz 4,192 MHz beträgt und daß die niedrige Arbeitstaktfrequenz um den Faktor 1/256 klei ner ist.

9. Verfahren zur Herabsetzung der Störströme eines Mikro prozessors, der mit einer bestimmten Arbeitstaktfrequenz angesteuert wird, wobei der Mikropro zessor in Abhängigkeit von der Programmaktivität zeitweise auf unterschiedliche, wesentlich niedrigere Arbeitstaktfre quenzen umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmaktivität des Mikroprozessors in einem Testlauf von ausreichender Dauer und unter bestimmungsgemäßer Bela stung ermittelt, daß daraus die mittlere Programmaktivität pro Zeiteinheit (Leistung) berechnet und daraus durch einen Vergleich mit der Auslegungsleistung ein Maß für das Ver hältnis der Einschaltdauer von hoher zu niedriger Arbeitstaktfrequenz gewonnen wird.

10. Verfahren zur Herabsetzung der Störströme eines Mikro prozessors, der mit einer bestimmten Arbeitstaktfrequenz angesteuert wird, wobei der Mikropro zessor in Abhängigkeit von der Programmaktivität zeitweise auf unterschiedliche, wesentlich niedrigere Arbeitstaktfre quenzen umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmaktivität des Mikroprozessors unter Betriebsbe dingungen laufend durch einen Pausenzähler ermittelt, die für eine vorgebbare Periode mittlerer Programmaktivität pro Zeiteinheit (Leistung) berechnet und daraus durch einen Vergleich mit der Auslegungsleistung ein Maß für das Ver hältnis der Einschaltdauer von hoher zu niedriger Arbeitstaktfrequenz gewonnen wird.

11. Anwendung von einer oder mehrerer der Maßnahmen nach den Ansprüchen 1 bis 8, auf das Verfahren nach Anspruch 10.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die niedrige Arbeitstaktfrequenz durch eine oder mehrere einem Oszillator nachgeschalteten Teiler stufen ohne Treiberfähigkeit erzeugt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß den Teilerstufen eine Bufferstufe nachgeschaltet ist, die in Abhängigkeit von der Programmaktivität auf die verschie denen Teilerstufen geschaltet wird.