嵌入式零功耗系統設計研究

嵌入式應用系統中，普遍存在功耗浪費現象。

1 零功耗系統設計的基本概念

1.1 系統中的理想功耗

一個(gè)電子系統要運行就會(huì )有功耗。如果系統運行時(shí)沒(méi)有任何功耗浪費，那么它的功耗就是系統的理想功耗。

在一個(gè)嵌入式應用系統中，由于普遍存在CPU高速運行功能和有限任務(wù)處理要求的巨大差異，會(huì )形成系統在時(shí)間與空間上巨大的無(wú)效操作。如果在系統運行中，所有時(shí)間、空間上的無(wú)效操作都沒(méi)有功耗，那么系統便處于理想功耗運行之下。

1.2 應用系統中的有效操作時(shí)空占空比

如果將系統運行中，所有時(shí)間、空間上的有效操作和無(wú)效操作采用時(shí)空占空比來(lái)量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統全部運行操作之比。在一個(gè)具體應用系統中，有效操作的時(shí)空占空比有：宏觀(guān)時(shí)域占空比、宏觀(guān)區域占空比、微觀(guān)時(shí)域占空比和微觀(guān)區域占空比。以下以一個(gè)嵌入式應用系統--熱流量計為例來(lái)描述這4個(gè)占空比的概念。

1.2.1 有效操作的宏觀(guān)時(shí)域占空比Tdc

Tdc定義為系統運行時(shí)域上有效操作時(shí)間OPact與全部運行時(shí)間OPtot之比。由于嵌入式應用中CPU的高速運行與有限任務(wù)操作的差異，常常會(huì )形成有效操作高諧小量的時(shí)域占空比現象。例如，在熱流量計中，要采集、處理的物理參數有熱水的入口溫度、出口溫度和流量計數值。由于這些參數的大慣量特征，在滿(mǎn)足采集精度要求下，一次采集循環(huán)周期為10 min，然而系統完成一次采集、處理、存儲、送顯示的時(shí)間只需2 s，如圖1所示。那么，該系統的有效操作時(shí)間OPact為 2 s，全部操作循環(huán)時(shí)間OPtot為600 s，系統宏觀(guān)有效操作時(shí)域占空比為

1.2.2 有效操作的宏觀(guān)區域占空比Sdc

有效操作宏觀(guān)區域占空比定義為：系統運行時(shí)，有效操作區域Sact與系統全部區域Stot之比。由于系統運行時(shí)，并不是所有電路單元都處于有效操作狀態(tài)，特別是在單CPU系統中，所有功能單元都是在CPU的輪流控制下運行，致使系統的各部分電路輪流進(jìn)入有效操作狀態(tài)。例如，在熱流量計中，在有效操作時(shí)域OPact中，除CPU外，采集、處理、存儲、送顯示的4個(gè)主體操作是輪流進(jìn)行的，如圖2所示。如果按等區域原則最粗略地估算，可以算出該系統宏觀(guān)有效操作的區域占空比為在系統硬件設計中，如果有意識地按任務(wù)進(jìn)程，對系統電路進(jìn)行粗略的劃分，形成相對獨立任務(wù)運行空間，這樣便可較準確地計算出Sdc值。