嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計研究

　　2.7 智能電源設(shè)計

　　既要保證系統(tǒng)具有良好的性能，又能兼顧功耗問題，一個最好的辦法是采用智能電源。在系統(tǒng)中增加適當?shù)闹悄茴A(yù)測、檢測，根據(jù)需要對系統(tǒng)采取不同的供電方式，以求系統(tǒng)的功耗最低。許多膝上型電腦的電源管理采用智能電源，以筆記本電腦為例，在電源管理方面，Intel公司采取Speed Step技術(shù);AMD公司采取Power Now技術(shù);Transmeta公司采取Long Run技術(shù)。雖然這三種技術(shù)涉及到的具體內(nèi)容不同，但基本原理是一致的。以采用Speed Step技術(shù)的筆記本電腦為例，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的使用環(huán)境對CPU的運行速度進行合理調(diào)整。如果系統(tǒng)使用外接電源，CPU將按照正常的主頻率及電壓運行;當檢測到系統(tǒng)為電池供電時，軟件將自動切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態(tài)運行。

　　2.8 降低處理器的時鐘頻率

　　處理器的功耗與時鐘頻率密切相關(guān)。以SAM-SUNG S3C2410x(32 b ARM 920T內(nèi)核)為例，它提供了四種工作模式：正常模式、空閑模式、休眠模式、關(guān)機模式.各種模式的功耗如表1所示。

　　由表1可見，CPU在全速運行的時候比在空閑或者休眠的時候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運行模式遠比空閑、休眠模式少占用時間。在類似PDA 的設(shè)備中，系統(tǒng)在全速運行的時候遠比空閑的時候少，所以可以通過設(shè)置，使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)，然后通過相應(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，然后再進入空閑模式。因此設(shè)計系統(tǒng)時，如果處理能力許可，可盡量降低處理器的時鐘頻率。

　　另外，可以動態(tài)改變處理器的時鐘，以降低系統(tǒng)的總功耗。CPU空閑時，降低時鐘頻率;處于工作狀態(tài)時，提高時鐘頻率以全速運行處理事務(wù)，實現(xiàn)這一技術(shù)的方法。通過將I/O引腳設(shè)定為輸出高電平，加入電阻R1，將增加時鐘頻率;將I/O引腳輸出低電平，去掉電阻R1，可降低時鐘頻率，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)換時消耗電流，在維持工作時期不消耗電流。例如。IC卡水表、煤氣表、靜態(tài)電能表等，在打開和關(guān)閉開關(guān)時給相應(yīng)的機構(gòu)上電，開關(guān)開和關(guān)狀態(tài)通過機械機構(gòu)或磁場機制保持開關(guān)的狀態(tài)，而不通過電流保持，可以進一步降低電能的消耗。

　　3 軟件低功耗設(shè)計

　　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：對于實現(xiàn)同樣的功能，不同的軟件算法，消耗的時間不同，使用的指令不同，因而消耗的功率也不同。對于使用高級語言，由于是面向問題設(shè)計的，很難控制低功耗。但是，如果利用匯編語言開發(fā)系統(tǒng)(如對于小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā))，可以有意識地選擇消耗時間短的指令和設(shè)計消耗功率小的算法來降低系統(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)處理功能用軟件實現(xiàn)，如許多儀表中用到的對數(shù)放大電路、抗干擾電路，測量系統(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)的時候，需要高性能的處理器，這可能會消耗大量的功率。因此，系統(tǒng)中某一功能用軟件實現(xiàn)，還是用硬件實現(xiàn)，需要綜合計算后進行設(shè)計。

　　3.3 采用快速算法

　　數(shù)字信號處理中的運算，采用如FFT和快速卷積等，可以大量節(jié)省運算時間，從而減少功耗;在精度允許的情況下，使用簡單函數(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)計采用中斷驅(qū)動技術(shù)

　　整個系統(tǒng)軟件設(shè)計成處理多個事件，在系統(tǒng)上電初始化時，主程序只進行系統(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。當外設(shè)發(fā)生了一個事件，產(chǎn)生中斷信號，使CPU退出節(jié)電狀態(tài)，進入事件處理，事件處理完成后，繼續(xù)進入節(jié)電狀態(tài)。

　　3.5 延時程序設(shè)計

　　延時程序的設(shè)計有兩種方法：軟件延時和硬件定時器延時。為了降低功耗，盡量使用硬件定時器延時，一方面提高程序的效率，另一方面降低功耗。原因為：大多數(shù)嵌入式處理器在進入待機模式時，CPU停止工作，定時器可正常工作，定時器的功耗可以很低，所以處理器調(diào)用延時程序時，進入待機方式，定時器開始計時，時間一到，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的運行效率。

　　4 結(jié) 語

　　嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計涉及到軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩個方面，在實際系統(tǒng)應(yīng)用時，低功耗的設(shè)計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)，需要對各種細節(jié)進行認真的斟酌和分析，需要對各種可能的方案和方法進行計算和分析，這樣才可能取得較為滿意的效果，達到降低系統(tǒng)功耗的目的。