淺析嵌入式系統設計中的低功耗技術(shù)

　　0 引言

　　隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展和微電子技術(shù)的不斷創(chuàng )新，嵌入式系統的應用越來(lái)越多，并已廣泛滲透到各個(gè)領(lǐng)域。嵌入式系統是以應用為中心，以電子技術(shù)和計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可剪裁，能適應應用系統對功能、可靠性、穩定性、成本、體積、功耗等多方面嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。

　　在嵌入式系統的設計中，低功耗設計技術(shù)成為許多設計人員逐漸關(guān)注的問(wèn)題，其原因在于嵌入式系統已被越來(lái)越多的應用在便攜式和移動(dòng)性較強的產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品往往要靠電池來(lái)供電。實(shí)際上，這些年來(lái)，有關(guān)電池的儲能密度并沒(méi)有得到大的進(jìn)步。而對于便攜設備，尤其是手持消費品而言，如果單靠提高電池容量來(lái)提高續航能力，似乎并不完全切合實(shí)際。因此，為提高設備性能，設計人員更需要從每一個(gè)細節考慮降低硬件系統本身的能耗。從而盡可能地延長(cháng)電池的使用時(shí)間。事實(shí)上，低功耗設計也已經(jīng)成為一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題，因而應該從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)考慮嵌入式系統中的低功耗設計。

　　1 硬件的低功耗設計

　　1.1 硬件電路器件

　　由于現在絕大部分電路均采用集成電路CMOS工藝技術(shù)，這與以前的TTL工藝相比，本身就已經(jīng)起到了降低電子元器件和整體系統功耗的作用，因此，應該繼續多采用CMOS集成電路工藝技術(shù)。另外，由于采用CMOS集成工藝技術(shù)，其電路靜態(tài)功耗很小(可忽略不計)，而動(dòng)態(tài)功耗較大，因為動(dòng)態(tài)功耗是指電路高低電平翻轉時(shí)產(chǎn)生的功耗，在電路高低電平翻轉跳變沿期間，電流很大，存在較大功耗，所以，降低硬件電路功耗主要是降低電路動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗公式為：

　　其中，P代表CMOS芯片的動(dòng)態(tài)功耗，C代表CMOS芯片的負載電容，V和f分別代表CMOS芯片的工作電壓和工作頻率。由公式可知，COMS硬件集成電路的功耗與工作電壓和工作頻率之間有密切的關(guān)系。因此，使用CMOS系列電路時(shí)，其不用的輸入端不要懸空，因為懸空的輸入端可能存在感應信號，并可能造成高低電平的轉換。同時(shí)，由于轉換器件的功耗很大，故應盡量采用輸出為高的原則。

　　1.2 低功耗外圍器件的選用

　　完成同樣的功能，電路的實(shí)現形式有多種。例如，盡可能地將嵌入式系統的內部存儲器RAM轉換為外部的閃存FLASH，因為在同樣條件下，讀內部RAM比讀外部FLASH會(huì )帶來(lái)更大的功耗。也可以利用分立元件、小規模集成電路，大規模集成電路甚至單片實(shí)現。通常使用的元器件數量越少，系統的功耗越低。因此，應盡量使用集成度高的器件，以減少電路中使用元件的個(gè)數，減少整機的功耗。　　1.3 微處理器的選擇

　　嵌入式微處理器的功率消耗在嵌入式系統中占有相當大的部分，所以，選擇合適的處理器，對于嵌入式系統的整體功耗具有很大影響。微處理器的功耗主要分為兩部分： 內核功耗Pcore和外部接口控制器功耗Pio，總功耗等于兩者之和，即P=Pcore+Pio。對于Pcore，其關(guān)鍵在于供電電壓和時(shí)鐘頻率的高低； 而對于Pio，除了各個(gè)專(zhuān)門(mén)I/O控制器的功耗外，還有地址/數據總線(xiàn)寬度，因為總線(xiàn)寬度越寬，處理能力越大，功耗也越大。所以降低功耗，必需讓總線(xiàn)位數變窄。

　　要降低微處理器內核的Pcore功耗，就必須想法降低處理器的工作電壓和時(shí)鐘頻率，其中降低微處理器的工作電壓是很有效的途徑，也是未來(lái)發(fā)展的趨勢，目前許多的嵌入式微處理器的工作電壓可降至2 V以下。并且高效率的處理器都提供有多種時(shí)鐘頻率和工作電壓的選擇，以便于最大限度地節約功耗。此外，在進(jìn)行系統設計時(shí)，在工作電壓相差不大和系統處理能力許可的情況下，還應盡可能降低微處理器的時(shí)鐘頻率，現以起到節能的作用。以SAMSUNG S3C2410 (32 位ARM 920T內核) 為例，它就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。各種模式下的功耗如表1所列。

不同工作模式的時(shí)鐘頻率與功耗對比表

　　由表1可知，CPU在全速運行的時(shí)候，比在空閑或者休眠時(shí)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(shí)間。在類(lèi)似PDA的設備中，系統在全速運行時(shí)遠比空閑的時(shí)候少，所以，可以通過(guò)設置，使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)，使用時(shí)再通過(guò)相應的中斷喚醒CPU，以恢復到正常工作模式來(lái)處理響應的事件，然后再進(jìn)入空閑模式。因此，設計系統時(shí)，如果處理能力許可，可盡量降低處理器的時(shí)鐘頻率。

　　也可以動(dòng)態(tài)改變處理器的時(shí)鐘頻率以降低功耗，比如可關(guān)閉不需要的外設控制器，并在CPU空閑時(shí)降低時(shí)鐘頻率； 而在處于工作狀態(tài)時(shí)，再提高時(shí)鐘頻率以加快運行速度。

　　1.4 多CPU系統

　　盡管現在已有各種