嵌入式系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計
加入技術(shù)交流群
在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，低功耗設(shè)計（Low-Power Design）是許多設(shè)計人員必須面對的問題，其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動性較強的產(chǎn)品中去，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往是靠電池來供電，所以設(shè)計人員從每一個細(xì)節(jié)來考慮降低功率消耗，從而盡可能地延長電池使用時間。事實上，從全局來考慮低功耗設(shè)計已經(jīng)成為了一個越來越迫切的問題。
那么,我們應(yīng)該從哪些方面來考慮低功耗設(shè)計呢？筆者認(rèn)為應(yīng)從以下幾方面綜合考慮：
處理器的選擇
接口驅(qū)動電路設(shè)計
動態(tài)電源管理
電源供給電路的選擇
下面我們分別進(jìn)行討論：
一、處理器的選擇
我們對一個嵌入式系統(tǒng)的選型往往是從其CPU和操作系統(tǒng)（OS）開始的，一旦這兩者選定，整個大的系統(tǒng)框架便選定了。我們在選擇一個CPU的時候，一般更注意其性能的優(yōu)劣（比如時鐘頻率等）及所提供的接口和功能的多少，往往忽視其功耗特性。但是因為CPU是嵌入式系統(tǒng)功率消耗的主要來源---對于手持設(shè)備來講，它幾乎占據(jù)了除顯示屏以外的整個系統(tǒng)功耗的一半以上（視系統(tǒng)具體情況而定），所以選擇合適的CPU對于最后的系統(tǒng)功耗大小有舉足輕重的影響。
一般的情況下，我們是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面進(jìn)行比較和選擇。通常可以采用每執(zhí)行1M次指令所消耗的能量來進(jìn)行衡量，即Watt/MIPS。但是，這僅僅是一個參考指標(biāo)，實際上各個CPU的體系結(jié)構(gòu)相差很大，衡量性能的方式也不盡相同，所以，我們還應(yīng)該進(jìn)一步分析一些細(xì)節(jié)。
我們把CPU的功率消耗分為兩大部分：內(nèi)核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，總的功率等于兩者之和，即P=PCORE+PI/O。對于PCORE，關(guān)鍵在于其供電電壓和時鐘頻率的高低；對于PI/O來講，除了留意各個專門I/O控制器的功耗外，還必須關(guān)注地址和數(shù)據(jù)總線寬度。下面對兩者分別進(jìn)行討論：
1、CPU供電電壓和時鐘頻率
我們知道，在數(shù)字集成電路設(shè)計中，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動態(tài)功耗相比基本可以忽略不計，故暫不考慮。其動態(tài)功耗計算公式為：
Pd=CTV2f
式中，Pd---CMOS芯片的動態(tài)功耗
CT----CMOS芯片的負(fù)載電容
V----CMOS芯片的工作電壓
f-----CMOS芯片的工作頻率
由上式可知，CMOS電路中的功率消耗是與電路的開關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與供電電壓呈二次平方關(guān)系。對于一顆CPU來講， Vcore電壓越高，時鐘頻率越快，則功率消耗越大。所以，在能夠滿足功能正常的前提下，盡可能選擇低電壓工作的CPU能夠在總體功耗方面得到較好的效果。對于已經(jīng)選定的CPU來講，降低供電電壓和工作頻率，也是一條節(jié)省功率的可行之路。
2、總線寬度
我們還經(jīng)常陷入一個誤區(qū)，即：CPU外部總線寬度越寬越好。如果我們僅僅從數(shù)據(jù)傳輸速度上來講，也許這個觀點是對的，但如果在一個對功耗相當(dāng)敏感的設(shè)計來說，這個觀點就不一定正確了。
同樣引用公式Pd=CTV2f ，對于每一條線（地址等數(shù)據(jù)線）而言，都會面臨這樣的功率消耗，顯而易見，當(dāng)總線寬度越寬的時候，功耗自然越大。每條線路的容性負(fù)載都不太一樣，但一般都在4～12PF之間。我們來看下面一個例子：一片1Mbit Flash通過8bit和16bit的總線與CPU相連，總線頻率為4MHZ ，總線電壓為3.3V。我們可以得到以下結(jié)果：
由上可見，采用16-bit總線和采用8-bit總線會有3.7mw的功耗差異。
當(dāng)然，如果需要大量頻繁地存取數(shù)據(jù)的場合下，用8-bit總線不見得會經(jīng)濟(jì)，因為增加了讀寫周期。
另外，從上面的例子我們也可以看到：如果CPU采用內(nèi)置Flash的方式，也可大大地降低系統(tǒng)功率消耗。
二、接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計
接口電路的低功耗設(shè)計，往往是容易被大家所忽略的一個環(huán)節(jié)，在這個環(huán)節(jié)里，我們除了考慮選用靜態(tài)電流較低的外圍芯片外，還應(yīng)該考慮以下幾個因素：
上拉電阻/下拉電阻的選取
對懸空腳的處理
Buffer的必要性
通常我們習(xí)慣隨意地確定一個上拉電阻值，而沒有經(jīng)過仔細(xì)地計算?，F(xiàn)在我們來簡單計算一下，如果在一個3.3V的系統(tǒng)里用4.7KΩ為上拉電阻，當(dāng)輸出為低的時候，每只腳上的電流消耗就為0.7mA，如果有10個這樣的信號腳時，就會有7mA電流消耗在這上面。所以我們應(yīng)該在考慮在能夠正常驅(qū)動后級的情況下（即考慮IC的VIH或VIL）,盡可能選取更大的阻值?，F(xiàn)在很多應(yīng)用設(shè)計中的上拉電阻值甚至高達(dá)幾百KΩ。另外，當(dāng)一個信號在多數(shù)情況下時為低的時候，我們也可以考慮用下拉電阻以節(jié)省功率。
CMOS器件的懸空腳也應(yīng)該引起我們的重視。因為CMOS懸空的輸入端的輸入阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會導(dǎo)致輸入端信號電平隨機變化，導(dǎo)致CPU在休眠時不斷地被喚醒，從而無法進(jìn)入休眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障，所以正確的方法是將未使用到的輸入端接到VCC或地。
Buffer有很多功能，如電平轉(zhuǎn)換，增加驅(qū)動能力，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频鹊?，但如果僅僅基于驅(qū)動能力的考慮增加 Buffer的話，我們就應(yīng)該慎重考慮了，因為過驅(qū)動會導(dǎo)致更多的能量被白白浪費掉。所以我們應(yīng)該仔細(xì)檢查芯片的最大輸出電流IOH和IOL是否足以驅(qū)動下級IC，如果可以通過選取合適的前后級芯片來避免Buffer的使用，對于能量來講是一個很大的節(jié)約。
三、動態(tài)電源管理（DPM）
所謂動態(tài)的電源管理就是在系統(tǒng)運行期間通過對系統(tǒng)的時鐘或電壓的動態(tài)控制來達(dá)到節(jié)省功率的目的，這種動態(tài)控制是與系統(tǒng)的運行狀態(tài)密切相關(guān)的，這個工作往往通過軟件來實現(xiàn)。
1、選取不同工作模式
如前所述，系統(tǒng)時鐘對于功耗大小有非常明顯的影響。所以我們除了著重于滿足性能的需求外，還必須考慮如何動態(tài)地設(shè)置時鐘來達(dá)到功率的最大程度節(jié)約。CPU內(nèi)部的各種頻率都是通過外部晶振頻率經(jīng)由內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）倍頻式后產(chǎn)生的。于是，是否可以通過內(nèi)部寄存器設(shè)置各種工作頻率的高低成為控制功耗的一個關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在很多CPU都有多種工作模式，我們可以通過控制CPU進(jìn)入不同的模式來達(dá)到省電的目的。
評論