嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)研究

由表1可見(jiàn)，CPU在全速運(yùn)行的時(shí)候比在空閑或者休眠的時(shí)候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運(yùn)行模式遠(yuǎn)比空閑、休眠模式少占用時(shí)間。在類(lèi)似PDA的設(shè)備中，系統(tǒng)在全速運(yùn)行的時(shí)候遠(yuǎn)比空閑的時(shí)候少，所以可以通過(guò)設(shè)置，使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)，然后通過(guò)相應(yīng)的中斷喚醒CPU，恢復(fù)到正常工作模式，處理響應(yīng)的事件，然后再進(jìn)入空閑模式。因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，如果處理能力許可，可盡量降低處理器的時(shí)鐘頻率。
另外，可以動(dòng)態(tài)改變處理器的時(shí)鐘，以降低系統(tǒng)的總功耗。CPU空閑時(shí)，降低時(shí)鐘頻率；處于工作狀態(tài)時(shí)，提高時(shí)鐘頻率以全速運(yùn)行處理事務(wù)，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的方法。通過(guò)將I／O引腳設(shè)定為輸出高電平，加入電阻R1，將增加時(shí)鐘頻率；將I／O引腳輸出低電平，去掉電阻R1，可降低時(shí)鐘頻率，以降低功耗。
2．9 降低持續(xù)工作電流
在一些系統(tǒng)中，盡量使系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)消耗電流，在維持工作時(shí)期不消耗電流。例如。IC卡水表、煤氣表、靜態(tài)電能表等，在打開(kāi)和關(guān)閉開(kāi)關(guān)時(shí)給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)上電，開(kāi)關(guān)開(kāi)和關(guān)狀態(tài)通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)或磁場(chǎng)機(jī)制保持開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，而不通過(guò)電流保持，可以進(jìn)一步降低電能的消耗。

3 軟件低功耗設(shè)計(jì)
3．1 編譯低功耗優(yōu)化技術(shù)
編譯技術(shù)降低系統(tǒng)功耗是基于這樣的事實(shí)：對(duì)于實(shí)現(xiàn)同樣的功能，不同的軟件算法，消耗的時(shí)間不同，使用的指令不同，因而消耗的功率也不同。對(duì)于使用高級(jí)語(yǔ)言，由于是面向問(wèn)題設(shè)計(jì)的，很難控制低功耗。但是，如果利用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)(如對(duì)于小型的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā))，可以有意識(shí)地選擇消耗時(shí)間短的指令和設(shè)計(jì)消耗功率小的算法來(lái)降低系統(tǒng)的功耗。
3．2 硬件軟件化與軟件硬件化
通常的硬件電路一定消耗功率，基于此，可以減少系統(tǒng)的硬件電路，把數(shù)據(jù)處理功能用軟件實(shí)現(xiàn)，如許多儀表中用到的對(duì)數(shù)放大電路、抗干擾電路，測(cè)量系統(tǒng)中用軟件濾波代替硬件濾波器等。
需要考慮，軟件處理需要時(shí)間，處理器也需要消耗功率，特別是在處理大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要高性能的處理器，這可能會(huì)消耗大量的功率。因此，系統(tǒng)中某一功能用軟件實(shí)現(xiàn)，還是用硬件實(shí)現(xiàn)，需要綜合計(jì)算后進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3．3 采用快速算法
數(shù)字信號(hào)處理中的運(yùn)算，采用如FFT和快速卷積等，可以大量節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，從而減少功耗；在精度允許的情況下，使用簡(jiǎn)單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似，也是減少功耗的一種方法。
3．4 軟件設(shè)計(jì)采用中斷驅(qū)動(dòng)技術(shù)
整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)成處理多個(gè)事件，在系統(tǒng)上電初始化時(shí)，主程序只進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括寄存器、外部設(shè)備等，初始化完成后，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，然后CPU控制的設(shè)備都接到中斷輸入端上。當(dāng)外設(shè)發(fā)生了一個(gè)事件，產(chǎn)生中斷信號(hào)，使CPU退出節(jié)電狀態(tài)，進(jìn)入事件處理，事件處理完成后，繼續(xù)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。
3．5 延時(shí)程序設(shè)計(jì)
延時(shí)程序的設(shè)計(jì)有兩種方法：軟件延時(shí)和硬件定時(shí)器延時(shí)。為了降低功耗，盡量使用硬件定時(shí)器延時(shí)，一方面提高程序的效率，另一方面降低功耗。原因?yàn)椋捍蠖鄶?shù)嵌入式處理器在進(jìn)入待機(jī)模式時(shí)，CPU停止工作，定時(shí)器可正常工作，定時(shí)器的功耗可以很低，所以處理器調(diào)用延時(shí)程序時(shí)，進(jìn)入待機(jī)方式，定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，時(shí)間一到，則喚醒CPU。這樣一方面CPU停止工作，降低了功耗，另一方面提高了CPU的運(yùn)行效率。

4 結(jié) 語(yǔ)
嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面，在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，低功耗的設(shè)計(jì)并非是一蹴而就的事情，需要綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài)，需要對(duì)各種細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的斟酌和分析，需要對(duì)各種可能的方案和方法進(jìn)行計(jì)算和分析，這樣才可能取得較為滿(mǎn)意的效果，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。