基于ARM的便攜式系統(tǒng)的功耗管理

ARM微處理器因其高性能和低功耗的特性，特別適合于便攜式系統(tǒng)的應(yīng)用。而系統(tǒng)級(jí)的問(wèn)題對(duì)于有效的功耗管理也是非常重要的。本文主要對(duì)硬件及系統(tǒng)的功耗管理作一些介紹。
功耗管理電路能盡可能地降低便攜式系統(tǒng)的用電量。最主要的優(yōu)點(diǎn)是延長(zhǎng)電池的使用壽命，當(dāng)然還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，如減少散熱量等。充分了解系統(tǒng)各部分組件的耗電情況、降低系統(tǒng)哪部分耗電量比較合理等問(wèn)題是至關(guān)重要的。圖 1 所示為PDA類產(chǎn)品的功耗分布情況。功耗管理是由軟件、處理器、外設(shè)、電源等一起構(gòu)成的系統(tǒng)問(wèn)題。

處理器
便攜式系統(tǒng)的處理器中有大量與系統(tǒng)其他電路相連的開(kāi)關(guān)晶體管，消耗了大量的電能。因處理器運(yùn)行著軟件，所以可使其中某些不執(zhí)行任務(wù)的部件關(guān)斷或減慢運(yùn)行速度。
CMOS基礎(chǔ)
處理器由CMOS電路構(gòu)成。下面的公式顯示了功耗P，CMOS門(mén)電容C，開(kāi)關(guān)頻率f及供電電壓V之間的關(guān)系：

對(duì)一個(gè)具體的處理器來(lái)說(shuō)，CMOS門(mén)電容C是個(gè)常量。但開(kāi)關(guān)頻率f和供電電壓V可根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用要求而調(diào)整。供電電壓V和開(kāi)關(guān)頻率f之間還有以下關(guān)系需要考慮，即更高的開(kāi)關(guān)頻率需要更高的供電電壓支持：

處理器廠商通常會(huì)指定一些工作電壓與頻率之間的組合配置。
處理器空閑模式(Idle Mode)
現(xiàn)今，幾乎所有的處理器設(shè)計(jì)都有空閑模式。在空閑模式狀態(tài)下，處理器的時(shí)鐘停止，以減少處理器在空閑狀態(tài)下的功耗。當(dāng)操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)處理器當(dāng)前沒(méi)有可執(zhí)行的任務(wù)時(shí)，便將處理器置于空閑狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷時(shí)，處理器從空閑狀態(tài)被喚醒。大多數(shù)系統(tǒng)都有操作系統(tǒng)計(jì)時(shí)器中斷，因此，處理器在一秒鐘之內(nèi)可能幾千次地進(jìn)出空閑狀態(tài)。值得注意的是：處理器空閑模式僅影響處理器本身，但對(duì)系統(tǒng)的其他硬件不產(chǎn)生任何影響。
電壓與頻率的配比
電壓與頻率的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系非常有趣。從單純CMOS的角度來(lái)看，執(zhí)行每一個(gè)指令所需的能耗是相同的，因此降低CMOS頻率幾乎無(wú)法減少耗電量?？臻e狀態(tài)的存在是單單降低頻率無(wú)法節(jié)約能耗的原因。在高的時(shí)鐘頻率下，處理器僅僅是加快了完成工作的速度，但在空閑狀態(tài)下停留的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。若電壓隨著頻率一起降低，這樣每執(zhí)行一條指令的能耗就隨之降低。因?yàn)殡妷旱钠椒絍2與功耗P成正比，所以稍稍降低一點(diǎn)電壓，功耗便能大大減少。例如降低電壓29%，功耗將降低50%。
從系統(tǒng)的角度來(lái)看，改變系統(tǒng)頻率可能會(huì)帶來(lái)一些好處。有研究[1]表明：在供電不穩(wěn)定或電壓峰值比較大的情況下，電池將不能有效地工作?？臻e模式時(shí)間比較長(zhǎng)的系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)這種情況，這主要取決于電池技術(shù)及與系統(tǒng)進(jìn)出空閑模式頻率相關(guān)的電源濾波。仔細(xì)的系統(tǒng)分析和測(cè)試可以確定：只是動(dòng)態(tài)地改變頻率能否為某個(gè)具體系統(tǒng)的功耗優(yōu)化帶來(lái)好處。
同時(shí)改變電壓和頻率是當(dāng)前移動(dòng)式電腦處理器常用的技術(shù)。處理器制造商可能會(huì)詳細(xì)列出一些電壓及頻率的配比值，然而，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電壓及頻率的動(dòng)態(tài)配比卻更為重要。必須注意的是：要謹(jǐn)慎控制電源電壓的變化率，并令其與處理器要求相匹配；在頻率變化過(guò)程當(dāng)中，處理器的某些部分可能需要關(guān)閉。
最近，ARM與國(guó)半(National Semiconductor)共同宣布，電壓技術(shù)將最終集成到處理器中去。處理器的電路設(shè)計(jì)將考慮頻率、溫度和工藝相關(guān)的參數(shù)來(lái)優(yōu)化工作電壓，而不是僅僅簡(jiǎn)單地考慮最壞情況。
處理器外設(shè)
多數(shù)基于ARM的處理器，都在片內(nèi)集成了大量的外設(shè)模塊。外設(shè)不被使用的時(shí)候，在允許的情況下要關(guān)閉其時(shí)鐘輸入。支持該外設(shè)的其他電路也應(yīng)該被切斷供電。

系統(tǒng)考慮
圖 2 顯示了基本的系統(tǒng)功耗管理狀態(tài)。
系統(tǒng)掛起模式
在系統(tǒng)掛起模式(也稱睡眠模式)下，只有以下部件繼續(xù)工作：SDRAM、處理器功耗管理電路、喚醒電路。
因SDRAM里面的內(nèi)容受到保護(hù)，系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可以存入SDRAM里保存。以下是進(jìn)入睡眠模式的典型步驟：1. 用戶指定、超時(shí)、低電量狀態(tài)等因素啟動(dòng)了掛起模式；2. 操作系統(tǒng)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序把外設(shè)調(diào)整到節(jié)電狀態(tài)；3. 處理器未保存的寄存器存入SDRAM；4. SDRAM進(jìn)入自刷新模式；5. 處理器進(jìn)入掛起模式。在該模式下，處理器的時(shí)鐘停止，系統(tǒng)中各供電模塊關(guān)閉。
重新恢復(fù)的次序與掛起次序相反，由處理器的喚醒信號(hào)或處理器內(nèi)部喚醒信號(hào)源(如實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)警報(bào))啟動(dòng)。系統(tǒng)執(zhí)行掛起模式是個(gè)龐大的任務(wù)，必須了解如何將系統(tǒng)中所有的外設(shè)切換到節(jié)電狀態(tài)。
對(duì)于PDA類產(chǎn)品，掛起模式時(shí)功耗僅為10mW左右。系統(tǒng)在運(yùn)行及掛起狀態(tài)之間可以輕易切換，只需用短短的10ms。
系統(tǒng)關(guān)閉狀態(tài)
對(duì)PDA類系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，掛起狀態(tài)雖然已大大減小了功耗，但系統(tǒng)在掛起狀態(tài)下也僅能維持?jǐn)?shù)周。因而需要一種關(guān)閉模式，像系統(tǒng)沒(méi)有電源一樣。這種模式在電池耗盡時(shí)可以有效地保護(hù)電池不被損壞；同時(shí)可使PDA類產(chǎn)品在安裝有電池的情況下進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存。
軟啟動(dòng)
大多數(shù)系統(tǒng)需要一種軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)的時(shí)候，處理器被復(fù)位，但是SRAM里面的內(nèi)容仍舊保持。目前，大部分便攜式系統(tǒng)都選擇在RAM中存儲(chǔ)用戶文件，這是一項(xiàng)非常有用的功能。

硬件
有許多外設(shè)硬件需要為功耗管理作特殊考慮。
顯示及背光
在PDA系統(tǒng)中，顯示設(shè)備的耗電最多。目前，有許多類型的顯示設(shè)備，但大多數(shù)現(xiàn)代的PDA產(chǎn)品都選用反射式薄膜晶體管(TFT)顯示加背光燈來(lái)做為顯示設(shè)備。雖然在光線充足的情況下可以看清屏幕上的內(nèi)容，但是考慮到閱讀的舒適度，還是需要把背光燈打開(kāi)。目前，以下兩類背光燈應(yīng)用得比較普遍：

LED背光燈耗電較少，但是有許多其他缺點(diǎn)。
若在短時(shí)間內(nèi)沒(méi)有任何輸入，目前大部分便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)都會(huì)把背光關(guān)閉。在許多應(yīng)用里(如：音樂(lè)播放器等)，關(guān)閉顯示器是可以接受的。
低功耗SDRAM
許多系統(tǒng)都使用低功耗的SDRAM，工作電壓為1.8~2.5V(而不是通常的3.3V)。表1為64MB RAM存儲(chǔ)器分別在3.3V和2.5V電壓下的耗電比較。計(jì)算所用的數(shù)據(jù)來(lái)自Micron 256Mb SDRAM存儲(chǔ)器產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)。在運(yùn)行(100%整循環(huán)和掛起模式時(shí))用到2片SDRAM芯片，表中的數(shù)據(jù)是手冊(cè)中數(shù)據(jù)的兩倍。
表1  RAM在不同工作電壓下的功耗比較

用1.8V代替3.3V，將大大延長(zhǎng)便攜式系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間和掛起時(shí)間。
SDRAM支持多種低功耗狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于掛起狀態(tài)時(shí)，SDRAM將進(jìn)入自刷新?tīng)顟B(tài)。在該狀態(tài)下，除了CKE，所有對(duì)SDRAM的信號(hào)都無(wú)效，SDRAM自己管理自身的刷新。當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行或空閑狀態(tài)時(shí)，SDRAM也可進(jìn)入電源關(guān)閉狀態(tài)。
音頻
應(yīng)選擇具有低功耗模式的音頻元件。否則，在系統(tǒng)掛起模式下要切斷該元件的電源。另外，應(yīng)注意避免在音頻電路的功耗模式切換中發(fā)出刺耳的噪聲。
電源
集成電路電源廠商不斷改進(jìn)產(chǎn)品。先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源支持MHz級(jí)的開(kāi)關(guān)速率，減小了電路所需的電容和磁場(chǎng)。在高速開(kāi)關(guān)頻率下，必須謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)電源的布局布線，使電源的控制回路能正常工作。若開(kāi)關(guān)電源在掛起狀態(tài)下運(yùn)行，它應(yīng)該支持一種低功率模式，只輸出掛起狀態(tài)所需的極低功率就可以了。這通常被稱為雙模式開(kāi)關(guān)電源。
備用電源
如果系統(tǒng)的主供電電池是可移動(dòng)的，則還須設(shè)計(jì)某種類型的備用電源。備用電源能在掛起狀態(tài)下進(jìn)行主電池替換的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)繼續(xù)供電。多數(shù)PDA類系統(tǒng)使用一個(gè)小電池做備用電源，以滿足系統(tǒng)掛起狀態(tài)下的供電需要。
緊急情況
一般硬件需要能夠支持一些緊急情況。最重要的事件是電池缺電。在此狀態(tài)下，操作系統(tǒng)必須被告知系統(tǒng)電量低，然后操作系統(tǒng)無(wú)條件將系統(tǒng)轉(zhuǎn)入掛起狀態(tài)。另一種危急事件是電池耗盡。此時(shí)電池的電能還沒(méi)有真的全部耗盡，但為了保護(hù)電池，電池將不再對(duì)外放電。這種事件由少數(shù)極低功耗硬件處理，硬件電路監(jiān)測(cè)到這種狀態(tài)后，將把主電池從系統(tǒng)中斷開(kāi)。需要注意的是，斷電后所有SDRAM存儲(chǔ)器里的內(nèi)容都將丟失。
漏電問(wèn)題
漏電問(wèn)題可能是當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入掛起狀態(tài)后面臨的頭號(hào)問(wèn)題。當(dāng)集成電路斷電后，若某個(gè)輸入信號(hào)仍維持為高電平，就會(huì)產(chǎn)生漏電問(wèn)題。如圖3，集成電路在輸入端有一個(gè)保護(hù)二極管，電流將經(jīng)過(guò)保護(hù)二極管直接進(jìn)入集成電路的電源引腳。這將導(dǎo)致電源電壓不可預(yù)知的上升，同時(shí)在系統(tǒng)應(yīng)該使用極小能量的情況下浪費(fèi)了大量的電能。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是：在集成電路斷電前，確定每個(gè)輸入信號(hào)(有保護(hù)二極管的)的電平為低，在掛起狀態(tài)下不能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)為低信號(hào)的則必須加緩沖器。

結(jié)語(yǔ)
便攜式設(shè)備的電能管理已成為系統(tǒng)的一部分。若希望設(shè)計(jì)出成功的產(chǎn)品，需要充分地了解系統(tǒng)并注意其中的各種細(xì)節(jié)?！?

參考文獻(xiàn)：
1. T.Martin, ‘Balancing batteries, power, and performance: system issues in CPU speed-settings for mobile computing’, PhD. Dissertation, Carnegie Mellon University, Aug. 1999.
2. M. Fleischmann, ‘LongRun Power Management’, Transmeta Corporation, Jan. 2001.