嵌入式零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，普遍存在功耗浪費(fèi)現(xiàn)象。

1 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念

1.1 系統(tǒng)中的理想功耗

一個電子系統(tǒng)要運(yùn)行就會有功耗。如果系統(tǒng)運(yùn)行時沒有任何功耗浪費(fèi)，那么它的功耗就是系統(tǒng)的理想功耗。

在一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，由于普遍存在CPU高速運(yùn)行功能和有限任務(wù)處理要求的巨大差異，會形成系統(tǒng)在時間與空間上巨大的無效操作。如果在系統(tǒng)運(yùn)行中，所有時間、空間上的無效操作都沒有功耗，那么系統(tǒng)便處于理想功耗運(yùn)行之下。

1.2 應(yīng)用系統(tǒng)中的有效操作時空占空比

如果將系統(tǒng)運(yùn)行中，所有時間、空間上的有效操作和無效操作采用時空占空比來量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)全部運(yùn)行操作之比。在一個具體應(yīng)用系統(tǒng)中，有效操作的時空占空比有：宏觀時域占空比、宏觀區(qū)域占空比、微觀時域占空比和微觀區(qū)域占空比。以下以一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)--熱流量計(jì)為例來描述這4個占空比的概念。

1.2.1 有效操作的宏觀時域占空比Tdc

Tdc定義為系統(tǒng)運(yùn)行時域上有效操作時間OPact與全部運(yùn)行時間OPtot之比。由于嵌入式應(yīng)用中CPU的高速運(yùn)行與有限任務(wù)操作的差異，常常會形成有效操作高諧小量的時域占空比現(xiàn)象。例如，在熱流量計(jì)中，要采集、處理的物理參數(shù)有熱水的入口溫度、出口溫度和流量計(jì)數(shù)值。由于這些參數(shù)的大慣量特征，在滿足采集精度要求下，一次采集循環(huán)周期為10 min，然而系統(tǒng)完成一次采集、處理、存儲、送顯示的時間只需2 s，如圖1所示。那么，該系統(tǒng)的有效操作時間OPact為 2 s，全部操作循環(huán)時間OPtot為600 s，系統(tǒng)宏觀有效操作時域占空比為

1.2.2 有效操作的宏觀區(qū)域占空比Sdc

有效操作宏觀區(qū)域占空比定義為：系統(tǒng)運(yùn)行時，有效操作區(qū)域Sact與系統(tǒng)全部區(qū)域Stot之比。由于系統(tǒng)運(yùn)行時，并不是所有電路單元都處于有效操作狀態(tài)，特別是在單CPU系統(tǒng)中，所有功能單元都是在CPU的輪流控制下運(yùn)行，致使系統(tǒng)的各部分電路輪流進(jìn)入有效操作狀態(tài)。例如，在熱流量計(jì)中，在有效操作時域OPact中，除CPU外，采集、處理、存儲、送顯示的4個主體操作是輪流進(jìn)行的，如圖2所示。如果按等區(qū)域原則最粗略地估算，可以算出該系統(tǒng)宏觀有效操作的區(qū)域占空比為在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，如果有意識地按任務(wù)進(jìn)程，對系統(tǒng)電路進(jìn)行粗略的劃分，形成相對獨(dú)立任務(wù)運(yùn)行空間，這樣便可較準(zhǔn)確地計(jì)算出Sdc值。