嵌入式零功耗系統設計研究

1.2.3 有效操作的微觀(guān)時(shí)空占空比

在數字系統中，進(jìn)入有效操作狀態(tài)的一個(gè)完整電路中，也不是每一時(shí)刻、每一電路單元都處于有效操作狀態(tài)，同樣可以估算出微觀(guān)有效操作的時(shí)域占空比和區域占空比。

(1)有效操作的微觀(guān)區域占空比μSdc

μSdc定義為：有效操作電路單元中，平均有效操作區域Aact與全部電路單元區域Atot之比。例如，熱流量計在執行數據存儲任務(wù)，對EEPROM進(jìn)行存儲操作時(shí)，EEPROM的三個(gè)操作區域，即輸入緩沖電路、轉換控制電路和EEPROM陣列輪流進(jìn)入有效操作狀態(tài)。設這三個(gè)區域有效操作功耗相等，那么，熱流量計在數據存儲時(shí)，存儲器EEPROM的微觀(guān)有效操作區域占空比為

(2)有效操作的微觀(guān)時(shí)域占空比μTdc

系統中，所有處于有效操作的電路，真正的有效操作只表現為0、1狀態(tài)的變化操作。因此，電路有效操作的微觀(guān)時(shí)域占空比μTdc定義為：電路的動(dòng)態(tài)時(shí)間ATact與全部時(shí)間ATtot之比。例如，在熱流量計的數據采集任務(wù)中，頻率測量的邏輯控制電路要根據溫頻傳感器輸出的信號脈沖，實(shí)現頻率測量控制。這些操作控制都出現在脈沖的變化沿。設溫頻傳感器輸出的信號脈沖頻率為20 kHz，測控邏輯狀態(tài)變化時(shí)間小于100 ns，可以估算出，在數據采集任務(wù)中，頻率測量控制邏輯電路有效操作的微觀(guān)時(shí)域占空比為

1.3 高諧小量時(shí)空占空比與零功耗設計

1.3.1 實(shí)際系統中高諧小量的時(shí)空占空比

在嵌入式應用系統中，CPU高速處理能力與實(shí)際任務(wù)操作狀態(tài)以及系統中的微觀(guān)靜、動(dòng)態(tài)的巨大差異，導致大量無(wú)謂等待狀態(tài)，形成有效操作的時(shí)、空占空比現象。上述4類(lèi)占空比現象，在許多嵌入式應用系統中都會(huì )存在，而且這4類(lèi)占空比形成乘積效應。按照上述估算，熱流量計總體有效操作的時(shí)空占空比OPdc為

從這里揭示了一個(gè)驚人的現狀，即在一個(gè)嵌入式應用系統中，有效操作只是全部運行操作的高諧小量。這一特點(diǎn)是嵌入式系統零功耗設計的基礎。零功耗系統按照有效操作時(shí)空占空比實(shí)行精細的功耗管理，非有效操作期間沒(méi)有功耗，從而使系統功耗與原來(lái)相比達到趨于零的效果。早期提出零功耗概念，并實(shí)現零功耗設計的器件有AMD公司的Flash存儲器Am29SL800B。早先Am28F800B的功耗量級為100時(shí)，改進(jìn)工藝并降低電壓后的Am29SL800B為20，而實(shí)現零功耗管理的Am29SL800B的功耗則小于0.1?？梢?jiàn)零功耗系統設計在降低系統功耗中的潛力。

1.3.2 零功耗系統設計基本要求

在不少實(shí)際的嵌入式應用系統中，雖然有效操作時(shí)空占空比不會(huì )是熱流量計那樣顯著(zhù)的高諧小量，但一般都會(huì )有0.1 %的量級。如果能按照系統有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細的功耗管理，使無(wú)效操作期間沒(méi)有功耗，就可實(shí)現系統的零功耗。

零功耗是一個(gè)工程概念。零功耗系統是指該系統中沒(méi)有任何功耗浪費。因此，零功耗系統設計的基本要求如下：

(1)系統中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關(guān)斷(沒(méi)有功耗)。

(2)系統具有按有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細功耗管理的能力，能做到多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰(shuí)干誰(shuí)吃的系統功耗分配。

(3)對于系統無(wú)法企及的微觀(guān)有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動(dòng)特性來(lái)滿(mǎn)足功耗分配，即電路動(dòng)態(tài)過(guò)程有功耗，電路靜態(tài)時(shí)沒(méi)有功耗。

2 零功耗系統設計的技術(shù)基礎

零功耗系統設計的核心技術(shù)，是按系統中有效操作時(shí)空占空比來(lái)實(shí)現按需分配的功耗管理。不僅實(shí)現宏觀(guān)有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，還要實(shí)現微觀(guān)有效操作時(shí)空占空比的功耗管理。因此，實(shí)現零功耗管理必須有相應的技術(shù)基礎，這就是CMOS工藝的電路基礎、嵌入式系統實(shí)時(shí)的智能化控制以及具有功耗管理功能的外圍器件。這些技術(shù)基礎可以滿(mǎn)足零功耗系統設計的三個(gè)基本要求。