DE3335145C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiesparschaltung für ein Mikroprozessorsystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Energiesparschaltung ist aus der DE-OS 28 51 628 bekannt.

Zu den zahlreichen Verwendungszwecken von miniaturisierten elektronischen Datenverarbeitungsgeräten, die allgemein als Mikroprozessoren bezeichnet werden, gehört die Steuerung von in implantierten medizinischen Geräten vorgesehenen Schal­ tungsanordnungen zur Überwachung und Diagnose. Für diesen Zweck sind Mikroprozessoren besonders zweckmäßig, weil sie relativ leicht und klein sind. Jeder Mikroprozessor hat jedoch einen bestimmten Energieverbrauch, der von der Verarbeitungsfunktion des Mikroprozessors abhängt. Dabei werden als Verarbeitungs­ funktion die Übertragung von Daten in und aus verschiedenen Registern des Mikroprozessors und von diesem durchgeführte Rechen- oder logische Operationen bezeichnet. Mikroprozessoren von implantierten medizinischen Geräten werden gewöhnlich von einer Batterie mit Energie gespeist. Wenn die Batterie ver­ braucht ist, muß sie in einer Operation ausgetauscht werden, damit der Mikroprozessor seine elektrischen Funktionen wei­ terhin ausführen kann.

Man kann die vorstehend angesprochenen Schwierigkeiten natürlich dadurch vermindern, daß in dem Mikroprozessor eine Logikschaltung mit minimalem Energiebedarf verwendet wird und/oder besonders langlebige Batterien verwendet werden. Die auf diese Weise erzielbaren Vorteile sind jedoch durch die derzeit erhältlichen Festkörper-Logikschaltungen und Batterien begrenzt.

Man kann die Lebensdauer der Stromquelle für den Mikropro­ zessor auch dadurch verlängern, daß die Stromzufuhr zu be­ stimmten Stromkreisen in bestimmten Zeiträumen unterbrochen wird, in denen diese Stromkreise nicht benötigt werden. Bei einer mikroprozessorgesteuerten Einrichtung, beispielsweise einer Datenerfassungseinrichtung, ist diese Maßnahme jedoch nicht immer anwendbar, weil für interne organisatorische Aufgaben ein Dauerbetrieb für Zeitnehmer-, Datenerfassungs- und andere Überwachungs- und Steuerfunktionen erforderlich ist. Ferner müssen manche für den Betrieb des Mikroprozessors wesentlichen Logikschaltungen, beispielsweise aktive Spei­ cher, wiederholt aufgefrischt werden, damit die darin ge­ speicherten Daten ihre Gültigkeit behalten. Für Auffrischungs­ vorgänge ist eine ununterbrochene Stromzufuhr erforderlich, die nicht vorübergehend unterbrochen werden kann. Man kann jedoch eine beträchtliche Energiemenge einsparen, wenn man den Prozessor im Ruhezustand desaktiviert, beispielsweise zwischen Übertragungen von Speicherdaten oder zwischen der Ausführung von Befehlen. Gewöhnlich ist jedoch in einem Datenverarbeitungssystem der Mikroprozessor die einzige Einrichtung, durch die alle anderen Einrichtungen, bei­ spielsweise Peripheriegeräte und Speicher, gesteuert werden. Aus diesem Grunde wird der Mikroprozessor gewöhnlich nicht ausgeschaltet, weil sonst die Synchronisierung mit den an­ deren Einrichtungen verlorengehen könnte.

Aus der DE-OS 29 11 998 ist eine Stromversorgung für einen wenigstens einen Verbraucher steuernden Mikroprozessor durch Steuersignale bekannt, bei dem die Versorgung des Mikroprozessors mit Hilfe eines Schalters in Abhängigkeit von einem Steuersignal unterbrochen wird. Der Mikropro­ zessor wird nach der Unterbrechung wiederum mit Hilfe eines Steuersignals über den Schalter mit einer Versorgungs­ quelle zur Stromversorgung verbunden.

Aus der deutschen Zeitschrift "Elektronik" Heft 10 vom 21. 5. 1982, Seiten 69 bis 72, ist es bekannt, die Taktver­ sorgung eines Mikroprozessorsystems zu Energiesparzwecken zu unterbrechen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Energiesparschal­ tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die den Energieverbrauch eines Mikroprozessorsystems beträcht­ lich reduziert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Phasendetektor, dem die Taktimpulse des Taktgebers und ein Synchronisations­ signal des Mikroprozessors zugeführt werden, erzeugt ein Phasenimpulssignal bei einer vorbestimmten Phase jedes Be­ fehlszyklus des Mikroprozessors. Die synchron arbeitende Logikschaltung unterbricht in Abhängigkeit vom Phasenimpuls­ signal und dem Austastanforderungssignal die Übertragung der Taktimpulse vom Taktgeber zum Mikroprozessor und nimmt in Abhängigkeit vom Phasenimpulssignal und dem Auftastanfor­ derungssignal die Übertragung der Taktimpulse vom Taktgeber zum Mikroprozessor wieder auf. Es ist also möglich, dem Mikroprozessor zeitweise keine Taktimpulse zuzuführen, wodurch während dieser Zeit der Mikroprozessor beträcht­ lich weniger Energie verbraucht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird ein Ausführungs­ beispiel derselben nachstehend anhand der Zeich­ nungen beschrieben. In diesen zeigt

Fig. 1 ein Blockschema einer Energiesparschaltung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm der Energiesparschaltung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 ein ausführliches Schaltschema der Schaltung gemäß Fig. 1.

Wie vorstehend beschrieben wurde, wird mit der Erfindung der Vorteil erzielt, daß der Energieverbrauch eines Mikroprozessors vermindert wird, der in einem System mit einem begrenzten Energievorrat arbeitet, beispiels­ weise in einem implantierten medizinischen Gerät. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Leistungsver­ brauch auch eines Mikroprozessors stark davon abhängt, ob sich der Mikroprozessor in einem statischen oder in einem dynamischen Betriebszustand befindet. Dies gilt besonders für Mikroprozessoren 1802.

In den Fig. 1 und 2 sind ein Blockschalt­ schema und ein Impulsdiagramm einer Anordnung dargestellt, mit der der Erfindungsgedanke verwirklicht werden kann. Eine synchron arbeitende Austast-Logikschaltung 12 legt an die Leitung 30 ein Signal CLK EN an, wenn sich der Mikroprozessor 15 in seinem aktiven, dynamischen Betrieb befindet, und während die Schaltung 12 im Ruhezustand des Mikroprozessors dieses Signal CLK EN nicht abgibt. Bei angelegtem Signal CLK EN gibt das UND-Glied 14 von einem Taktgeber 17 kommende Taktsignale direkt an den Takteingang CK des Mikropro­ zessors 15 ab. Unter Steuerung durch diese Taktsignale verarbeitet der Mikroprozessor 15 Daten, die zwischen dem Mikroprozessor 15, dem Speicher 11 und Peripherieeinrich­ tungen 21 übertragen werden. An den Speicher 11 ist ein Prozessorbus 13 angeschlossen, mit dem die Peripherieein­ richtungen durch den Peripheriebus 20 verbunden sind. Der Speicher 11 ist gewöhnlich ein Speicher für wahlfreien Zugriff mit Adressenleitungen und Datenleitungen, könnte aber auch ein Speicher anderer Art sein. Der Peripheriebus 20 dient normalerweise zum Übertragen von Signalen von Datenerfassungssonden.

Bei der beabsichtigten Verwendung des Mikro­ prozessors 15 in einem implantierten medizinischen Gerät werden ungefähr 90% der von dem Mikroprozessor ver­ brauchten Energie für den Speicherzugriff und für Daten­ übertragungen zwischen den mit den Bussen 13 und 20 ver­ bundenen Einrichtungen benötigt. Es gibt jedoch Zeiten, in denen der Mikroprozessor 15 nicht für eine Verarbeitung oder Übertragung von Daten verwendet wird, so daß dann keine Energie zum Fortschalten seiner internen Register und Recheneinheiten benötigt wird. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn eine der Peripherieeinrichtungen 21 Daten erfaßt und durch Abtastung erhaltene Daten in den Speicher 11 einschreibt, damit diese Daten später von dem Mikroprozessor 15 verarbeitet werden können. In der bevor­ zugten Ausführungsform erfolgt eine derartige Übertragung, wenn die Datenleitungen des Prozessors von dem Bus 13 logisch getrennt sind, so daß die Adressenleitungen und Datenleitungen des Speichers 11 frei sind.

Im Betrieb überwacht ein Phasendetektor 10 die Betriebsphasen des Mikroprozessors während dessen Befehlszyklus. In dem bevorzugt verwendeten Mikroprozessor 1802 umfaßt jeder Befehlszyklus acht Schritte oder Phasen, die acht Taktimpulsen des Taktgebers 17 entsprechen. Der Phasendetektor 10 überwacht die Taktimpulse 16 des Takt­ gebers 17 und ein von dem Mikroprozessor 15 abgegebenes Synchronsignal 18, das während einer der acht Phasen des Betriebszyklus des Mikroprozessors 15 auftritt. Synchron mit den Taktimpulsen und den Synchronimpulsen gibt der Phasendetektor 10 an den Bus 20 eine Folge von Informations­ signalen ab, durch die die Peripherieeinrichtungen In­ formationen hinsichtlich des Befehlszyklus erhalten, den der Mikroprozessor 15 gerade durchführt. Der Phasendetektor 10 gibt ferner einen Ein- und Ausschalt-Phasenimpuls SSPP über den Leiter 22 an eine synchron arbeitende Ein- und Ausschaltlogik 12 ab. Der Impuls SSPP wird während einer vorherbestimmten Phase des Befehlszyklus des Mikropro­ zessors 15 ebenfalls synchron mit den Taktimpulsen des Taktgebers 17 erzeugt. Beim Auftreten des Impulses SSPP haben die Datenleitungen des Mikroprozessors einen hohen Widerstand, so daß die Peripherieeinrichtungen erforderli­ chenfalls Zugriff zu dem Speicherbus haben können, während sich der Mikroprozessor im Ruhezustand befindet, wie vor­ stehend erläutert wurde.

Beim Auftreten des Impulses SSPP kann ferner die synchron arbeitende Ein- und Austast-Logikschaltung 12 auf ein Austast-Anforderungssignal STOP oder ein Auftast-Aufforderungssignal START ansprechen, das an den Leiter 24 bzw. 26 angelegt wird. Das Signal START oder STOP kann von dem Mikroprozessor 15 abgegeben werden, beispielsweise wenn er eine Programmunterbrechung bewirkt oder eine Übertragung von oder zu dem Speicher vollständig durchgeführt hat. Auf Grund eines Signals STOP bewirkt die Schaltung 12, daß die Abgabe des Signals CLK EN an die Leitung 30 beim Auftreten des nächsten Impulses SSPP unterbrochen wird. Bei im Ruhezustand befindlichem Prozessor bewirkt die Logikschaltung 12 auf Grund des über die Leitung 24 angelegten Signals START, daß bei der Abgabe des nächsten Impulses SSPP durch den Phasendetektor 22 das Signal CLK EN wieder an die Leitung 30 angelegt wird. Durch den Phasendetektor 10 wird somit gewährleistet, daß der Mikroprozessor 15 synchron mit der gewünschten Phase seines Befehlszyklus in den Ruhezustand bzw. in den aktiven Zustand übergeht, beispielsweise wenn der Mikro­ prozessor 15 von dem Bus 13 funktionell getrennt ist.

Vor der Funktion der Schaltung 12 bewirkt ein Rücksetzsignal RESET, daß alle Signalspeicher und Schalt­ glieder in der synchron arbeitenden Auf- und Austast-Logik­ schaltung 12 den Ausgangszustand einnehmen. Infolgedessen gelangt beim ersten Einschalten des den Mikroprozessor enthaltenden Systems die Schaltung 12 in einen betriebs­ fähigen Zustand.

Die Fig. 3 ist ein ausführliches Schalt­ schema der synchron arbeitenden Taktunterbrechungsschaltung 12 und der Phasendetektorschaltung 10, die soeben anhand der Fig. 1 beschrieben wurden. Der Phasendetektor 10 enthält eine Schaltung 34 mit einem Oktalzähler, bei­ spielsweise einem Ringzähler, und einem Dekoder. Diese Schaltung 34 wird auf Grund jedes von dem Taktgeber 17 (Fig. 1) kommenden Taktimpulses um eine Bitposition fortgeschaltet. Auf Grund der Taktimpulse erzeugt die Dekoderschaltung 34 jeweils nach dem Zählen von acht Impulsen bzw. jedem Eintreffen eines Zählbits in der Position "eins" in dem Ringzähler 34 einen Impuls SSPP. In der Phase "eins" haben die Adressen- und Daten-Ein- und Ausgabeleitungen des Mikroprozessors einen hohen Widerstand. Zu Beginn jedes Befehlszyklus des Mikropro­ zessors 15 gibt dieser ein Signal SYNC in Form eines Zeitpumpuses "B" (TBP) an den Eingang des UND-Gliedes 36 ab, an dessen anderen Eingang der Taktgeber 17 Taktimpulse anlegt, so daß der Dekoder 34 synchron mit einem dieser Taktimpulse in seinen Ausgangszustand zurückgesetzt wird.

Zur Abgabe eines Anforderungssignals über die Leitung 24 besitzt die synchron arbeitende Auf- und Austast-Logikschaltung 12 ein ODER-Glied 38, das auf verschiedene Steuersignale anspricht, beispielsweise auf ein Unterbrechungssignal INT und auf Signale DMA IN und DMA OUT, welche die Übertragung von Signalen in den und von dem Speicher 11 für wahlfreien Zugriff einleiten und beenden. Die Logikschaltung 12 enthält ferner ein UND-Glied 46, das zur Abgabe einer Austastenforderung über die Leitung 26 an den Prozessor 15 auf verschiedene von Peripherieeinheiten kommende Vollzugssignale ansprechen kann, beispielsweise auf ein Signal CPU DONE, DMA IN DONE und DMA OUT DONE, die besagen, daß der Prozessor eine Befehlsfolge durchgeführt hat oder daß eine Übertragung zu oder von dem Speicher vollständig durchgeführt worden ist und daher der Prozessor angehalten werden kann.

Zum Austasten des Mikroprozessors wird auf Grund eines über die Leitung 26 abgegebenen Austast- Anforderungssignals STOP ein Flipflop 54 gesetzt, sofern an der Leitung kein Auftastforderungssignal START liegt.

Der Ausgang Q des Flipflops 54 und der an dem Leiter 22 liegende Impuls SSPP werden an ein UND-Glied 56 angelegt, das ein Setzen eines zweiten Flipflops 58 bewirkt. Das Flipflop 58 wird ferner beim Auftreten des Impulses SSPP gesetzt. Durch das Ausgangssignal Q des Flipflops 58 wird dann ein Signal unterbrochen, das über den Leiter 30 an das UND-Glied 14 angelegt wird, so daß die Übertragung der Taktimpulse von dem Taktgeber 17 über die Leitung 16 an den Mikroprozessor 15 unterbrochen wird. Ferner be­ wirkt das Ausgangssignal Q des Flipflops 58 über ein ODER-Glied 62 ein Rücksetzen des Flipflops 54. Über ein in einer Rückkopplungsschleife des Flipflops 58 angeord­ netes ODER-Glied 60 hält sich das Flipflop 58 selbst, bis an die Leitung 24 ein Auftastforderungssignal START angelegt wird.

Zum Wiederansteuern des Mikroprozessors 15, d. h., zur Freigabe der Übertragung der Taktsignale über das UND-Glied 14, wird an den Leiter 24 ein Signal START angelegt, worauf beim Anlegen eines Impulses SSPP an den Leiter 22 das Flipflop 58 gesetzt wird. Bei gesetztem Flipflop 58 legt dieses sein Ausgangssignal Q an das UND-Glied 14 an, so daß dieses die von dem Taktgeber 17 kommenden Impulse an den Mikroprozessor 15 abgibt.

Claims (5)

1. Energiesparschaltung für ein Mikroprozessorsystem, dessen Mikroprozessor auf Taktimpulse von einem Taktgeber zur Befehlsverarbeitung in mehreren aufeinanderfolgenden Taktimpulsen pro Befehlszyklus anspricht, mit einer synchron arbeitenden Logikschaltung, die ein Austastan­ forderungssignal und ein Auftastanforderungssignal vom Mikroprozessorsystem erhält, wobei das Austastanforderungs­ signal am Ende einer Befehlsfolge des Mikroprozessors und das Auftastanforderungssignal zu Beginn einer Befehlsfolge erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Phasendetektor (10), dem die Taktimpulse des Takt­ gebers (17) und ein Synchronisationssignal des Mikropro­ zessors (15) zugeführt werden, ein Phasenimpulssignal (22) bei einer vorbestimmten Phase jedes Befehlszyklus des Mikroprozessors (15) erzeugt,
und daß die synchron ar­ beitende Logikschaltung (12) in Abhängigkeit vom Phasen­ impulssignal und dem Austastanforderungssignal die Über­ tragung der Taktimpulse vom Taktgeber (17) zum Mikropro­ zessor (15) unterbricht und in Abhängigkeit vom Phasen­ impulssignal und dem Auftastanforderungssignal die Über­ tragung der Taktimpulse vom Taktgeber (17) zum Mikropro­ zessor (15) wieder aufnimmt.

2. Energiesparschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mikroprozessorsystem periphere Ein­ richtungen enthält, die über Datenbusleitungen (20) unter­ einander verbunden sind,
daß der Phasendetektor (10) Phaseninformationssignale erzeugt und über die Datenbus­ leitung (20) an die peripheren Einrichtungen (21) über­ trägt, welche die derzeitige Phase des Befehlszyklus des Mikroprozessors (15) angeben,
und daß der Phasendetektor (10) durch die Taktimpulse des Taktgebers (17) aktiviert wird.

3. Energiesparschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (15) Eingabe-/ Ausgabe-Daten- und Adreßleitungen (13) hat, und daß die vorbestimmte Phase des Phasendetektors (10) dem Zustand entspricht, wenn die Eingabe-/Ausgabe-Daten- und Adreß­ leitungen des Mikroprozessors (15) einen hohen Widerstand haben.

4. Energiesparschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mikroprozessorsystem einen Speicher (11) mit Adreß- und Datenleitungen enthält, daß das Austast­ anforderungssignal bei Beendigung einer Datenübertragung zwischen dem Mikroprozessor (15) und dem Speicher (11) erzeugt wird und daß das Auftastanforderungssignal in Abhängigkeit von dem Beginn einer Datenübertragung mit dem Speicher (11) erzeugt wird.

5. Energiesparschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mikroprozessorsystem einen Speicher (11) enthält, der gemeinsam für den Mikroprozessor (15) und die peripheren Einrichtungen (21) vorgesehen ist, daß der Phasendetektor (10) Phaseninformationssignale erzeugt, die Datenübertragungen zwischen dem Mikro­ prozessor (15) und dem Speicher (11) und zwischen den peripheren Einrichtungen (21) und dem Speicher (11) ermöglichen, wenn der Mikroprozessor (15) mit Takt­ impulsen versorgt wird und Datenübertragungen zwischen den peripheren Einrichtungen (21) und dem Speicher (11) ermöglichen, wenn der Mikroprozessor (15) nicht mit Taktimpulsen versorgt wird.