超低功耗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技巧

摘要：低功耗是嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，也是便攜式嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)中要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)影響嵌入式系統(tǒng)功耗的因素進(jìn)行了分析，指出了降低系統(tǒng)功耗的途徑，從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面闡述了超低功耗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技巧。
關(guān)鍵詞：超低功耗；嵌入式系統(tǒng)；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

無(wú)論是在軍事還是在商業(yè)上的應(yīng)用，便攜式嵌入式系統(tǒng)一般是由可充電電池來(lái)供電的，因此，采用有效的節(jié)能技巧來(lái)改進(jìn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)的功耗以增加電池供電設(shè)備的使用時(shí)間，是便攜式嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要研究和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 影響功耗的因素
1．1 集成電路功耗
CMOS倒相器在集成電路分析中具有非常重要的意義，常用它來(lái)進(jìn)行集成電路延遲時(shí)間和功耗的分析。CMOS倒相器如圖1所示，圖2是倒相器的直流傳輸特性曲線。

若電路處在靜態(tài)(不發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn))并忽略漏電流的前提下，反相器的功耗幾乎為零，如圖2中的AB段和CD段。當(dāng)電路發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)，N管和P管具有同時(shí)導(dǎo)通的一段時(shí)間，此時(shí)從電源通過(guò)2個(gè)管子流向地的電流iD達(dá)到一個(gè)很高的峰值，如圖2對(duì)應(yīng)于BC段的電流。很大的電流意味著較高的功率消耗和熱能的損失，這在時(shí)鐘頻率較高時(shí)尤為突出。時(shí)鐘速度越高意味著每秒鐘狀態(tài)的切換次數(shù)就越多，也意味著更多的電能損耗。除此之外，在工作時(shí)還存在著靜態(tài)漏電功耗，下面對(duì)這2類功耗分別進(jìn)行分析。

1．1．1 動(dòng)態(tài)功耗
CMOS倒相器從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)突然轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程中，將產(chǎn)生附加的功耗，稱之為動(dòng)態(tài)功耗。這一功耗是由2部分組成的，一部分是瞬時(shí)導(dǎo)通功耗PT，另一部分是對(duì)負(fù)載電容充放電所消耗的功率PC，其表達(dá)式為：

式(1)中，VDD為電源電壓；ITC為2個(gè)管同時(shí)導(dǎo)通所產(chǎn)生的瞬時(shí)電流，不是固定的數(shù)值，如圖2所示；a為活動(dòng)因子，表示電容充放電的平均次數(shù)相對(duì)于開關(guān)頻率的比值；CL為進(jìn)行充放電的等效負(fù)載電容，包括柵電容、節(jié)點(diǎn)電容、互連電容等；f為開關(guān)頻率，即電路的工作頻率。
1．1．2 靜態(tài)漏電功耗
靜態(tài)漏電功耗是由亞閾值電流和反向偏壓電流造成的。在集成電路中，動(dòng)態(tài)功耗是整個(gè)CMOS集成電路功耗的主要組成部分，一般約占電路總功耗的90％以上，靜態(tài)漏電功耗占電路總功耗的1％以下，因而在大多數(shù)情況下可以忽略。
1．2 其他功耗
①純電阻元件上消耗的功率。電阻為耗能元件，只要電路中使用電阻，就存在著能量消耗。
②有源開關(guān)器件在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，電流和電壓比較大，將引起功率消耗。
③非理想元件由于等效電阻的存在而消耗的功率。如電路中的儲(chǔ)能元件電感和電容，理想情況下它們是不消耗能量的，但是實(shí)際使用的電感和電容都存在著等效串聯(lián)電阻(ESR)，就意味著能量的消耗。
④印制電路板中的走線上消耗的功率，如電源線由于電阻的存在會(huì)造成電能的損耗，實(shí)際中地線上也存在著電流的流動(dòng)。由于導(dǎo)線阻抗的存在，串聯(lián)單點(diǎn)接地的不同接地點(diǎn)之間會(huì)存在著電位差，因此在這些地線上也存在著能量的消耗。