基于ARM的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2 功耗產(chǎn)生的原因
如圖1所示的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件架構(gòu)中,功耗主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面:微處理器、LCD觸摸屏、集成電路、電阻和有源器件等。其中微處理器是系統(tǒng)功率消耗的主要來(lái)源,它幾乎占據(jù)了除LCD觸摸屏以外的整個(gè)系統(tǒng)功耗的一半以上,所以選擇低功耗的微處理器對(duì)于系統(tǒng)的功耗大小有舉足輕重的影響。LCD觸摸屏是嵌入式系統(tǒng)中功耗的另一個(gè)主要來(lái)源。除了微處理器和LCD觸摸屏之外,集成電路是系統(tǒng)組成的主要器件,對(duì)應(yīng)的電路中只要有電流流過(guò),就會(huì)產(chǎn)生功耗。集成電路的功耗主要包括開(kāi)關(guān)功耗、靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗、短路功耗和漏電功耗,對(duì)于目前大多數(shù)采用CMOS工藝的集成電路來(lái)說(shuō),主要的功耗是動(dòng)態(tài)功耗,是指電路翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的功耗,它是由于電路翻轉(zhuǎn)時(shí)存在跳變沿,在翻轉(zhuǎn)的瞬間,電流較大,所以動(dòng)態(tài)功耗較大。除此之外,電阻和有源器件也是系統(tǒng)中功耗產(chǎn)生的一個(gè)原因,尤其在有源器件的狀態(tài)變化時(shí)產(chǎn)生較大的電流和電壓,引起較大的功率消耗。另外,CMOS電路中最大的功耗來(lái)自于內(nèi)部和外部的電容充放電產(chǎn)生的功耗。
據(jù)功耗產(chǎn)生的原因,結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境,本設(shè)計(jì)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)硬件和軟件的低功耗設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗,下面詳細(xì)描述。
3 硬件的低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
3.1 低功耗的微處理器選擇
如前所述,嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的微處理器是系統(tǒng)功耗的主要來(lái)源,所以在選擇微處理器即CPU時(shí),不僅要注意微處理器的性能優(yōu)劣(比如時(shí)鐘頻率)及提供的接口和功能多少,對(duì)于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也要注重微處理器的功耗特性。微處理器的功耗包括內(nèi)核消耗功耗和外部接口消耗功耗,內(nèi)核消耗功耗主要體現(xiàn)在供電電壓和時(shí)鐘頻率的高低;外部接口消耗功耗體現(xiàn)在專(zhuān)門(mén)I/O控制器的功耗。
在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)微處理器的性能和功耗的比較和衡量,我們選擇了低功耗的微處理器PXA270,PXA270的主頻可以設(shè)置在104MHz到624MHz之間;PXA270嵌入式處理器在個(gè)人的互聯(lián)網(wǎng)客戶端架構(gòu)處理器(PCA)中集成無(wú)線MMX技術(shù),使得它擁有高性能、低功耗的多媒體加速能力,能夠很好地支持MPEG4和MP3解碼;同時(shí)加入了Intel Speed Step動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù),在保證CPU性能的情況下,最大限度地降低小型嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功耗。
3.2 接口電路的低功耗設(shè)計(jì)
嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口電路的低功耗設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)選擇靜態(tài)電流較低的外圍芯片,設(shè)計(jì)中除考慮系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)以外,在外圍接口芯片如USB接口、串口、以太網(wǎng)接口、CAN接口、音頻接口的設(shè)計(jì)芯片都盡量選擇靜態(tài)電流較低的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。
(2)恰當(dāng)?shù)剡x擇上拉電阻/下拉電阻。對(duì)于嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的接口電路設(shè)計(jì),許多信號(hào)管腳都涉及上拉電阻或下拉電阻,在設(shè)計(jì)中考慮能正常驅(qū)動(dòng)后級(jí)信號(hào)的情況下,上拉電阻或下拉電阻盡量選擇較大的阻值。如同樣是在3.3V的系統(tǒng)中用10kΩ的上拉電阻比用4.7kΩ的上拉電阻,當(dāng)輸出為低時(shí),每只腳上的電流消耗少0.37mA,若系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在100個(gè)這樣的管腳,就減少了37mA的電流。系統(tǒng)的接口電路中多數(shù)情況為低的信號(hào)設(shè)計(jì)上用下拉電阻來(lái)節(jié)省功耗。
(3)懸空腳盡量接地或上拉到VCC。系統(tǒng)中的集成電路基本都是CMOS器件,CMOS器件由于其懸空的輸入端的阻抗極高,很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿,而且還會(huì)導(dǎo)致輸入端信號(hào)電平隨機(jī)變化,導(dǎo)致CPU在休眠時(shí)不斷地被喚醒,從而無(wú)法進(jìn)入休眠狀態(tài)或出現(xiàn)其他莫名其妙的故障,所以設(shè)計(jì)上未使用的懸空腳要盡量接地或上拉到VCC,減少不必要的功耗。
(4)慎重選擇Buffer。在以往的設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)人員習(xí)慣用Buffer來(lái)增加電路的驅(qū)動(dòng)能力,這些Buffer肯定會(huì)導(dǎo)致更多的功耗。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,仔細(xì)檢查每個(gè)芯片的最大輸出電流IOH和IOL是否足以驅(qū)動(dòng)下級(jí)芯片,通過(guò)選取合適的前后級(jí)芯片來(lái)避免不必要的Buffer,來(lái)盡量減少系統(tǒng)的功率消耗。 linux操作系統(tǒng)文章專(zhuān)題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
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