淺析嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的低功耗技術(shù)

　　0 引言

　　隨著科學(xué)的發(fā)展和微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，并已廣泛滲透到各個(gè)領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁，能適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、穩(wěn)定性、成本、體積、功耗等多方面嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)成為許多設(shè)計(jì)人員逐漸關(guān)注的問題，其原因在于嵌入式系統(tǒng)已被越來越多的應(yīng)用在便攜式和移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品往往要靠電池來供電。實(shí)際上，這些年來，有關(guān)電池的儲(chǔ)能密度并沒有得到大的進(jìn)步。而對(duì)于便攜設(shè)備，尤其是手持消費(fèi)品而言，如果單靠提高電池容量來提高續(xù)航能力，似乎并不完全切合實(shí)際。因此，為提高設(shè)備性能，設(shè)計(jì)人員更需要從每一個(gè)細(xì)節(jié)考慮降低硬件系統(tǒng)本身的能耗。從而盡可能地延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。事實(shí)上，低功耗設(shè)計(jì)也已經(jīng)成為一個(gè)越來越迫切的問題，因而應(yīng)該從硬件和軟件兩個(gè)方面來考慮嵌入式系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)。

　　1 硬件的低功耗設(shè)計(jì)

　　1.1 硬件電路器件

　　由于現(xiàn)在絕大部分電路均采用集成電路CMOS工藝技術(shù)，這與以前的TTL工藝相比，本身就已經(jīng)起到了降低電子元器件和整體系統(tǒng)功耗的作用，因此，應(yīng)該繼續(xù)多采用CMOS集成電路工藝技術(shù)。另外，由于采用CMOS集成工藝技術(shù)，其電路靜態(tài)功耗很小(可忽略不計(jì))，而動(dòng)態(tài)功耗較大，因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗是指電路高低電平翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的功耗，在電路高低電平翻轉(zhuǎn)跳變沿期間，電流很大，存在較大功耗，所以，降低硬件電路功耗主要是降低電路動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗公式為：

　　其中，P代表CMOS芯片的動(dòng)態(tài)功耗，C代表CMOS芯片的負(fù)載電容，V和f分別代表CMOS芯片的工作電壓和工作頻率。由公式可知，COMS硬件集成電路的功耗與工作電壓和工作頻率之間有密切的關(guān)系。因此，使用CMOS系列電路時(shí)，其不用的輸入端不要懸空，因?yàn)閼铱盏妮斎攵丝赡艽嬖诟袘?yīng)信號(hào)，并可能造成高低電平的轉(zhuǎn)換。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)換器件的功耗很大，故應(yīng)盡量采用輸出為高的原則。

　　1.2 低功耗外圍器件的選用

　　完成同樣的功能，電路的實(shí)現(xiàn)形式有多種。例如，盡可能地將嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器RAM轉(zhuǎn)換為外部的閃存FLASH，因?yàn)樵谕瑯訔l件下，讀內(nèi)部RAM比讀外部FLASH會(huì)帶來更大的功耗。也可以利用分立元件、小規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路甚至單片實(shí)現(xiàn)。通常使用的元器件數(shù)量越少，系統(tǒng)的功耗越低。因此，應(yīng)盡量使用集成度高的器件，以減少電路中使用元件的個(gè)數(shù)，減少整機(jī)的功耗。　　1.3 微處理器的選擇

　　嵌入式微處理器的功率消耗在嵌入式系統(tǒng)中占有相當(dāng)大的部分，所以，選擇合適的處理器，對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的整體功耗具有很大影響。微處理器的功耗主要分為兩部分： 內(nèi)核功耗Pcore和外部接口控制器功耗Pio，總功耗等于兩者之和，即P=Pcore+Pio。對(duì)于Pcore，其關(guān)鍵在于供電電壓和時(shí)鐘頻率的高低； 而對(duì)于Pio，除了各個(gè)專門I/O控制器的功耗外，還有地址/數(shù)據(jù)總線寬度，因?yàn)榭偩€寬度越寬，處理能力越大，功耗也越大。所以降低功耗，必需讓總線位數(shù)變窄。

　　要降低微處理器內(nèi)核的Pcore功耗，就必須想法降低處理器的工作電壓和時(shí)鐘頻率，其中降低微處理器的工作電壓是很有效的途徑，也是未來發(fā)展的趨勢(shì)，目前許多的嵌入式微處理器的工作電壓可降至2 V以下。并且高效率的處理器都提供有多種時(shí)鐘頻率和工作電壓的選擇，以便于最大限度地節(jié)約功耗。此外，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在工作電壓相差不大和系統(tǒng)處理能力許可的情況下，還應(yīng)盡可能降低微處理器的時(shí)鐘頻率，現(xiàn)以起到節(jié)能的作用。以SAMSUNG S3C2410 (32 位ARM 920T內(nèi)核) 為例，它就提供了四種工作模式： 正常模式、空閑模式、休眠模式、關(guān)機(jī)模式。各種模式下的功耗如表1所列。

不同工作模式的時(shí)鐘頻率與功耗對(duì)比表

　　由表1可知，CPU在全速運(yùn)行的時(shí)候，比在空閑或者休眠時(shí)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。在類似PDA的設(shè)備中，系統(tǒng)在全速運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)比空閑的時(shí)候少，所以，可以通過設(shè)置，使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)，使用時(shí)再通過相應(yīng)的中斷喚醒CPU，以恢復(fù)到正常工作模式來處理響應(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。

　　也可以動(dòng)態(tài)改變處理器的時(shí)鐘頻率以降低功耗，比如可關(guān)閉不需要的外設(shè)控制器，并在CPU空閑時(shí)降低時(shí)鐘頻率； 而在處于工作狀態(tài)時(shí)，再提高時(shí)鐘頻率以加快運(yùn)行速度。

　　1.4 多CPU系統(tǒng)

　　盡管現(xiàn)在已有各種