ARM便攜式系統功耗管理的系統級設計

arm微處理器因其高性能和低功耗的特性，特別適合于便攜式系統的應用。而系統級的問(wèn)題對于有效的功耗管理也是非常重要的。本文主要對硬件及系統的功耗管理作一些介紹。

功耗管理電路能盡可能地降低便攜式系統的用電量。最主要的優(yōu)點(diǎn)是延長(cháng)電池的使用壽命，當然還有其他一些優(yōu)點(diǎn)，如減少散熱量等。充分了解系統各部分組件的耗電情況、降低系統哪部分耗電量比較合理等問(wèn)題是至關(guān)重要的。功耗管理是由軟件、處理器、外設、電源等一起構成的系統問(wèn)題。

處理器

便攜式系統的處理器中有大量與系統其他電路相連的開(kāi)關(guān)晶體管，消耗了大量的電能。因處理器運行著(zhù)軟件，所以可使其中某些不執行任務(wù)的部件關(guān)斷或減慢運行速度。

CMOS基礎

處理器由CMOS電路構成。下面的公式顯示了功耗P，CMOS門(mén)電容C，開(kāi)關(guān)頻率f及供電電壓V之間的關(guān)系：

對一個(gè)具體的處理器來(lái)說(shuō)，CMOS門(mén)電容C是個(gè)常量。但開(kāi)關(guān)頻率f和供電電壓V可根據實(shí)際的應用要求而調整。供電電壓V和開(kāi)關(guān)頻率f之間還有以下關(guān)系需要考慮，即更高的開(kāi)關(guān)頻率需要更高的供電電壓支持：

處理器廠(chǎng)商通常會(huì )指定一些工作電壓與頻率之間的組合配置。

處理器空閑模式(Idle Mode)

現今，幾乎所有的處理器設計都有空閑模式。在空閑模式狀態(tài)下，處理器的時(shí)鐘停止，以減少處理器在空閑狀態(tài)下的功耗。當操作系統發(fā)現處理器當前沒(méi)有可執行的任務(wù)時(shí)，便將處理器置于空閑狀態(tài)。當系統發(fā)生中斷時(shí)，處理器從空閑狀態(tài)被喚醒。大多數系統都有操作系統計時(shí)器中斷，因此，處理器在一秒鐘之內可能幾千次地進(jìn)出空閑狀態(tài)。值得注意的是：處理器空閑模式僅影響處理器本身，但對系統的其他硬件不產(chǎn)生任何影響。

電壓與頻率的配比

電壓與頻率的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系非常有趣。從單純CMOS的角度來(lái)看，執行每一個(gè)指令所需的能耗是相同的，因此降低CMOS頻率幾乎無(wú)法減少耗電量?？臻e狀態(tài)的存在是單單降低頻率無(wú)法節約能耗的原因。在高的時(shí)鐘頻率下，處理器僅僅是加快了完成工作的速度，但在空閑狀態(tài)下停留的時(shí)間會(huì )更長(cháng)。若電壓隨著(zhù)頻率一起降低，這樣每執行一條指令的能耗就隨之降低。因為電壓的平方V2與功耗P成正比，所以稍稍降低一點(diǎn)電壓，功耗便能大大減少。例如降低電壓29%，功耗將降低 50%。

從系統的角度來(lái)看，改變系統頻率可能會(huì )帶來(lái)一些好處。有研究[1]表明：在供電不穩定或電壓峰值比較大的情況下，電池將不能有效地工作?？臻e模式時(shí)間比較長(cháng)的系統可能會(huì )出現這種情況，這主要取決于電池技術(shù)及與系統進(jìn)出空閑模式頻率相關(guān)的電源濾波。仔細的系統分析和測試可以確定：只是動(dòng)態(tài)地改變頻率能否為某個(gè)具體系統的功耗優(yōu)化帶來(lái)好處。

同時(shí)改變電壓和頻率是當前移動(dòng)式電腦處理器常用的技術(shù)。處理器制造商可能會(huì )詳細列出一些電壓及頻率的配比值，然而，系統運行時(shí)的電壓及頻率的動(dòng)態(tài)配比卻更為重要。必須注意的是：要謹慎控制電源電壓的變化率，并令其與處理器要求相匹配；在頻率變化過(guò)程當中，處理器的某些部分可能需要關(guān)閉。

最近，arm與國半(National Semiconductor)共同宣布，電壓技術(shù)將最終集成到處理器中去。處理器的電路設計將考慮頻率、溫度和工藝相關(guān)的參數來(lái)優(yōu)化工作電壓，而不是僅僅簡(jiǎn)單地考慮最壞情況。

處理器外設

多數基于arm的處理器，都在片內集成了大量的外設模塊。外設不被使用的時(shí)候，在允許的情況下要關(guān)閉其時(shí)鐘輸入。支持該外設的其他電路也應該被切斷供電。
系統掛起模式

在系統掛起模式(也稱(chēng)睡眠模式)下，只有以下部件繼續工作：SDRAM、處理器功耗管理電路、喚醒電路。

因SDRAM里面的內容受到保護，系統的運行狀態(tài)可以存入SDRAM里保存。以下是進(jìn)入睡眠模式的典型步驟：1. 用戶(hù)指定、超時(shí)、低電量狀態(tài)等因素啟動(dòng)了掛起模式；2. 操作系統調用驅動(dòng)程序把外設調整到節電狀態(tài)；3. 處理器未保存的寄存器存入SDRAM；4. SDRAM進(jìn)入自刷新模式；5. 處理器進(jìn)入掛起模式。在該模式下，處理器的時(shí)鐘停止，系統中各供電模塊關(guān)閉。

重新恢復的次序與掛起次序相反，由處理器的喚醒信號或處理器內部喚醒信號源(如實(shí)時(shí)計時(shí)警報)啟動(dòng)。系統執行掛起模式是個(gè)龐大的任務(wù)，必須了解如何將系統中所有的外設切換到節電狀態(tài)。

對于PDA類(lèi)產(chǎn)品，掛起模式時(shí)功耗僅為10mW左右。系統在運行及掛起狀態(tài)之間可以輕易切換，只需用短短的10ms。

系統關(guān)閉狀態(tài)

對PDA類(lèi)系統來(lái)說(shuō)，掛起狀態(tài)雖然已大大減小了功耗，但系統在掛起狀態(tài)下也僅能維持數周。因而需要一種關(guān)閉模式，像系統沒(méi)有電源一樣。這種模式在電池耗盡時(shí)可以有效地保護電池不被損壞；同時(shí)可使PDA類(lèi)產(chǎn)品在安裝有電池的情況下進(jìn)行運輸和儲存。

軟啟動(dòng)

大多數系統需要一種軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)的時(shí)候，處理器被復位，但是SRAM里面的內容仍舊保持。目前，大部分便攜式系統都選擇在RAM中存儲用戶(hù)文件，這是一項非常有用的功能。

硬件

有許多外設硬件需要為功耗管理作特殊考慮。

顯示及背光

在PDA系統中，顯示設備的耗電最多。目前，有許多類(lèi)型的顯示設備，但大多數現代的PDA產(chǎn)品都選用反射式薄膜晶體管(TFT)顯示加背光燈來(lái)做為顯示設備。雖然在光線(xiàn)充足的情況下可以看清屏幕上的內容，但是考慮到閱讀的舒適度，還是需要把背光燈打開(kāi)。目前，以下兩類(lèi)背光燈應用得比較普遍：

LED背光燈耗電較少，但是有許多其他缺點(diǎn)。

若在短時(shí)間內沒(méi)有任何輸入，目前大部分便攜式系統設計都會(huì )把背光關(guān)閉。在許多應用里(如：音樂(lè )播放器等)，關(guān)閉顯示器是可以接受的。
低功耗SDRAM

許多系統都使用低功耗的SDRAM，工作電壓為1.8~2.5V(而不是通常的3.3V)。用1.8V代替3.3V，將大大延長(cháng)便攜式系統的運行時(shí)間和掛起時(shí)間。

SDRAM支持多種低功耗狀態(tài)。當系統處于掛起狀態(tài)時(shí)，SDRAM將進(jìn)入自刷新?tīng)顟B(tài)。在該狀態(tài)下，除了CKE，所有對SDRAM的信號都無(wú)效，SDRAM自己管理自身的刷新。當系統處于運行或空閑狀態(tài)時(shí)，SDRAM也可進(jìn)入電源關(guān)閉狀態(tài)。

音頻

應選擇具有低功耗模式的音頻元件。否則，在系統掛起模式下要切斷該元件的電源。另外，應注意避免在音頻電路的功耗模式切換中發(fā)出刺耳的噪聲。

電源

集成電路電源廠(chǎng)商不斷改進(jìn)產(chǎn)品。先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源支持MHz級的開(kāi)關(guān)速率，減小了電路所需的電容和磁場(chǎng)。在高速開(kāi)關(guān)頻率下，必須謹慎設計電源的布局布線(xiàn)，使電源的控制回路能正常工作。若開(kāi)關(guān)電源在掛起狀態(tài)下運行，它應該支持一種低功率模式，只輸出掛起狀態(tài)所需的極低功率就可以了。這通常被稱(chēng)為雙模式開(kāi)關(guān)電源。

備用電源

如果系統的主供電電池是可移動(dòng)的，則還須設計某種類(lèi)型的備用電源。備用電源能在掛起狀態(tài)下進(jìn)行主電池替換的時(shí)候對系統繼續供電。多數PDA類(lèi)系統使用一個(gè)小電池做備用電源，以滿(mǎn)足系統掛起狀態(tài)下的供電需要。

緊急情況

一般硬件需要能夠支持一些緊急情況。最重要的事件是電池缺電。在此狀態(tài)下，操作系統必須被告知系統電量低，然后操作系統無(wú)條件將系統轉入掛起狀態(tài)。另一種危急事件是電池耗盡。此時(shí)電池的電能還沒(méi)有真的全部耗盡，但為了保護電池，電池將不再對外放電。這種事件由少數極低功耗硬件處理，硬件電路監測到這種狀態(tài)后，將把主電池從系統中斷開(kāi)。需要注意的是，斷電后所有SDRAM存儲器里的內容都將丟失。

漏電問(wèn)題

漏電問(wèn)題可能是當系統進(jìn)入掛起狀態(tài)后面臨的頭號問(wèn)題。當集成電路斷電后，若某個(gè)輸入信號仍維持為高電平，就會(huì )產(chǎn)生漏電問(wèn)題。如圖3，集成電路在輸入端有一個(gè)保護二極管，電流將經(jīng)過(guò)保護二極管直接進(jìn)入集成電路的電源引腳。這將導致電源電壓不可預知的上升，同時(shí)在系統應該使用極小能量的情況下浪費了大量的電能。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是：在集成電路斷電前，確定每個(gè)輸入信號(有保護二極管的)的電平為低，在掛起狀態(tài)下不能驅動(dòng)轉為低信號的則必須加緩沖器。

結語(yǔ)

便攜式設備的電能管理已成為系統的一部分。若希望設計出成功的產(chǎn)品，需要充分地了解系統并注意其中的各種細節。