榨汁計策：榨出每一分電能
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作者：Robert Cravotta
時(shí)間：2005-09-09
來(lái)源：EDN電子設計技術(shù)
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榨汁計策：榨出每一分電能
系統的功率效率取決于軟、硬件設計決策與應用系統工作性能的匹配程度。
要點(diǎn)
● 總功耗包括靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗兩個(gè)部分。
● 硬件體系結構內的電源管理功能決定軟件降低功耗的方法。
● 你的軟件設計決策會(huì )對總功耗以及產(chǎn)品體積和成本產(chǎn)生重大影響。
低功耗機制并不只是針對電池供電設備的設計約束條件，它也是許多高性能有線(xiàn)系統的一個(gè)主要考慮因素。在嵌入式設計中使用的處理器的功耗可能只占系統總功耗預算的較小一部分，但你對系統和軟件體系結構的抉擇可能會(huì )對總的處理性能、功率消耗和電磁干擾（EMI）性能產(chǎn)生重大影響。對電池供電的系統而言，較低的總功耗可能意味著(zhù)你的設計得益于更長(cháng)的電池壽命，亦即能使你選用較小的電池來(lái)減少系統的體積、重量和成本。
對有線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)，較低的功耗可以減少系統對風(fēng)扇和空調裝置的要求，因為系統自身產(chǎn)生的熱量較少。用這種方法降低冷卻要求，還可以使系統工作時(shí)噪聲較低，因為你可以使用體積較小的電源和較少的或噪聲較低的風(fēng)扇來(lái)排除機架或機箱內的熱量。有線(xiàn)系統峰值功耗較低，能提高受熱點(diǎn)極限制約的元件密度，以增強系統的通道處理能力。如果你將設計功耗降低，你就能減小系統的總體尺寸與總成本。
為使系統的功耗最佳，你必須使硬件的功耗特性和軟件體系結構抉擇與預期的系統工作性能相匹配。不管你的系統是連續工作的還是以事件響應方式工作的，都將迫使你設法使系統功率效率最大。連續工作方式的特點(diǎn)是處理時(shí)間長(cháng)，空閑時(shí)間短，而事件響應工作方式的特點(diǎn)是處理時(shí)間短暫，空閑時(shí)間長(cháng)。
CMOS 電路的總功耗包括兩個(gè)部分：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。包括晶體管漏電流在內的靜態(tài)功耗，甚至在電路不工作時(shí)也會(huì )發(fā)生，并與任何開(kāi)關(guān)活動(dòng)無(wú)關(guān)。漏電流在所有 CMOS 晶體管中都存在，它來(lái)源于反向偏置源極或漏極電流、漏極至源極弱反相電流以及隧道電流。采用好的工藝技術(shù)和設計單元庫可以有效地降低這些電流的強度。這些漏電流分量的總和便形成從電源通過(guò)晶體管流向接地的非理想電流，即使這些晶體管處于邏輯關(guān)斷狀態(tài)也不可避免（附文“處理漏電流問(wèn)題”）。對于空閑時(shí)間長(cháng)的事件響應式工作狀態(tài)，靜態(tài)功耗要占系統總體功耗的很大一部分。
動(dòng)態(tài)功耗出現在電路和信號的邏輯狀態(tài)發(fā)生轉換時(shí)，功耗的大小與系統電壓、時(shí)鐘頻率以及開(kāi)關(guān)活動(dòng)相關(guān)。對連續工作的系統而言，動(dòng)態(tài)功耗一般決定系統功率效率。你可以用以下公式粗略地估算系統的動(dòng)態(tài)功耗：P=CFV2，式中 C 為動(dòng)態(tài)電容，F 是開(kāi)關(guān)頻率，V 是電源電壓。系統的動(dòng)態(tài)電容取決加工工藝和設計單元庫，基本上是固定不變的。功率和電壓是二次方的關(guān)系，所以電源電壓的高低對功耗的影響最大。但是，最小可用電源電壓與電路的最高開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)，在相同的加工工藝下，較高的時(shí)鐘頻率就需要更高的相對電源電壓。
功耗估算
選用專(zhuān)為提高功率效率而設計的部件是降低功耗的良好開(kāi)端。常用來(lái)比較處理器功率效率的基準是毫瓦/兆赫（mW/MHz）。使用這個(gè)基準時(shí)有個(gè)問(wèn)題，就是它不能告訴你在每個(gè)時(shí)鐘周期內處理器完成多少工作。較低的毫瓦/兆赫值未必能表明一個(gè)處理器可能需要將時(shí)鐘頻率加倍，并消耗更多的功率才能完成與另一個(gè)處理器相同的工作。
另一個(gè)替代功率效率基準的是毫瓦/百萬(wàn)指令/秒。你使用這一基準時(shí)仍要小心謹慎，因為你可能不清楚基準得分是由哪些指令序列獲得的。例如，只執行 NOP（空操作）指令時(shí)功耗可能最低，但這對實(shí)際應用毫無(wú)意義。執行完全來(lái)自緩存或本機內存的算法所得到的基準得分可以表示一種較好的指令混合，而完全在本機內存以外工作則既是不可行的，也不適合于你的系統設計。
在比較處理器的體系結構時(shí)，處理器制造商提供的處理器功耗典型值和最大值只有有限的參考價(jià)值，因為功耗可能會(huì )因執行的指令、操作的數據、脫片工作數量以及動(dòng)態(tài)功率管理功能的不同而相差很大。一個(gè)更有用的比較功耗的基準是毫瓦/任務(wù)；但這種量度很難實(shí)現，特別是很難用完全一致的方式去比較兩種處理器體系結構。
有些處理器廠(chǎng)家提供一些電子表格和分析工具，以幫助你根據自己的系統的特性和所采用的電源管理功能來(lái)進(jìn)行更為有用的功耗估算。這些電子表格和分析工具盡管現在還比較簡(jiǎn)陋，但可以讓你用人工的方法表征系統的特性、你將要使用的指令混合、脫片工作的類(lèi)型和數量，以及使用器件內置電源管理功能的影響。電源管理功能包括：關(guān)斷不工作模塊的電源，限制時(shí)鐘信號向不工作模塊傳送，動(dòng)態(tài)調整時(shí)鐘頻率，以及調整作為時(shí)鐘頻率函數的電源電壓。
低功耗特性
許多處理器都設有睡眠模式、待機模式或低功耗模式，用以關(guān)掉特定的模塊（如外設、處理器芯核以及時(shí)鐘發(fā)生器的晶振）的電源。有選擇地關(guān)斷這些模塊的電源，可使你將這些模塊的功耗（包括靜態(tài)功耗）降低到零，因為不關(guān)掉電源，它們做的是無(wú)用功。為了保存系統狀態(tài)數據，并避免重新起動(dòng)，低功耗模式通常要保留對存儲器結構的供電。當一個(gè)模塊恢復供電時(shí)，在電源電壓和時(shí)鐘信號穩定之前存在一個(gè)時(shí)間延遲。由于這一原因，在以下兩種情況下以這種方法關(guān)斷模塊電源是不切實(shí)際的：模塊的空閑時(shí)間小于穩定時(shí)間，或模塊對事件的響應時(shí)間比穩定時(shí)間更快。關(guān)斷模塊電源是一種強制性技術(shù)，無(wú)論 在BIOS、操作系統或應用級，它都要依靠軟件來(lái)根據通用或定制的運行狀態(tài)模型來(lái)作出決定。
在一個(gè)器件的總功耗中，其時(shí)鐘樹(shù)的功耗可能占到一半，因為一般情況下，時(shí)鐘信號的頻率是任何其它信號的兩倍，而且它必須在器件內的任何地方傳送。有些系統經(jīng)過(guò)分區，將獨立的時(shí)鐘信號域供不同的模塊和元件使用，這樣的系統就不需要整體系統都以最高速度工作，因而可降低功耗。使用較低的時(shí)鐘頻率，不僅能減少功耗，而且還可以降低對高時(shí)鐘所需的邊沿快速率的要求，從而減小系統的EMI（電磁干擾）。
時(shí)鐘門(mén)控是一種動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，它是與軟件無(wú)關(guān)，并對軟件是透明的；它可以防止時(shí)鐘信號傳輸到系統中當前不工作的模塊，從而減少動(dòng)態(tài)功耗和 EMI。時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)并不關(guān)斷某一功能塊的電源，因此它不會(huì )降低靜態(tài)功耗，但卻不受很長(cháng)起動(dòng)延遲時(shí)間的影響，而且它是按一個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期起作用的。
在有設計良好的分級時(shí)鐘分配機制情況下，時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)能以精確的粒度等級，阻止時(shí)鐘傳送到不工作的部件，如總線(xiàn)、高速緩存、功能加速器和外設。時(shí)鐘門(mén)控實(shí)際能達到的粒度等級是有限的，因為它依靠控制邏輯來(lái)決定何時(shí)和是否沿某一時(shí)鐘分配分支路傳輸時(shí)鐘信號。因此，時(shí)鐘門(mén)控邏輯自身的功耗應該小于它減少的功耗。異步電路，亦即無(wú)時(shí)鐘電路，是另一種使低功耗和高性能保持平衡的專(zhuān)用方法，類(lèi)似于同步系統中理想時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)（附文“異步電路”）。
要點(diǎn)
● 總功耗包括靜態(tài)功耗與動(dòng)態(tài)功耗兩個(gè)部分。
● 硬件體系結構內的電源管理功能決定軟件降低功耗的方法。
● 你的軟件設計決策會(huì )對總功耗以及產(chǎn)品體積和成本產(chǎn)生重大影響。
低功耗機制并不只是針對電池供電設備的設計約束條件，它也是許多高性能有線(xiàn)系統的一個(gè)主要考慮因素。在嵌入式設計中使用的處理器的功耗可能只占系統總功耗預算的較小一部分，但你對系統和軟件體系結構的抉擇可能會(huì )對總的處理性能、功率消耗和電磁干擾（EMI）性能產(chǎn)生重大影響。對電池供電的系統而言，較低的總功耗可能意味著(zhù)你的設計得益于更長(cháng)的電池壽命，亦即能使你選用較小的電池來(lái)減少系統的體積、重量和成本。
對有線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)，較低的功耗可以減少系統對風(fēng)扇和空調裝置的要求，因為系統自身產(chǎn)生的熱量較少。用這種方法降低冷卻要求，還可以使系統工作時(shí)噪聲較低，因為你可以使用體積較小的電源和較少的或噪聲較低的風(fēng)扇來(lái)排除機架或機箱內的熱量。有線(xiàn)系統峰值功耗較低，能提高受熱點(diǎn)極限制約的元件密度，以增強系統的通道處理能力。如果你將設計功耗降低，你就能減小系統的總體尺寸與總成本。
為使系統的功耗最佳，你必須使硬件的功耗特性和軟件體系結構抉擇與預期的系統工作性能相匹配。不管你的系統是連續工作的還是以事件響應方式工作的，都將迫使你設法使系統功率效率最大。連續工作方式的特點(diǎn)是處理時(shí)間長(cháng)，空閑時(shí)間短，而事件響應工作方式的特點(diǎn)是處理時(shí)間短暫，空閑時(shí)間長(cháng)。
CMOS 電路的總功耗包括兩個(gè)部分：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。包括晶體管漏電流在內的靜態(tài)功耗，甚至在電路不工作時(shí)也會(huì )發(fā)生，并與任何開(kāi)關(guān)活動(dòng)無(wú)關(guān)。漏電流在所有 CMOS 晶體管中都存在，它來(lái)源于反向偏置源極或漏極電流、漏極至源極弱反相電流以及隧道電流。采用好的工藝技術(shù)和設計單元庫可以有效地降低這些電流的強度。這些漏電流分量的總和便形成從電源通過(guò)晶體管流向接地的非理想電流，即使這些晶體管處于邏輯關(guān)斷狀態(tài)也不可避免（附文“處理漏電流問(wèn)題”）。對于空閑時(shí)間長(cháng)的事件響應式工作狀態(tài)，靜態(tài)功耗要占系統總體功耗的很大一部分。
動(dòng)態(tài)功耗出現在電路和信號的邏輯狀態(tài)發(fā)生轉換時(shí)，功耗的大小與系統電壓、時(shí)鐘頻率以及開(kāi)關(guān)活動(dòng)相關(guān)。對連續工作的系統而言，動(dòng)態(tài)功耗一般決定系統功率效率。你可以用以下公式粗略地估算系統的動(dòng)態(tài)功耗：P=CFV2，式中 C 為動(dòng)態(tài)電容，F 是開(kāi)關(guān)頻率，V 是電源電壓。系統的動(dòng)態(tài)電容取決加工工藝和設計單元庫，基本上是固定不變的。功率和電壓是二次方的關(guān)系，所以電源電壓的高低對功耗的影響最大。但是，最小可用電源電壓與電路的最高開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)，在相同的加工工藝下，較高的時(shí)鐘頻率就需要更高的相對電源電壓。
功耗估算
選用專(zhuān)為提高功率效率而設計的部件是降低功耗的良好開(kāi)端。常用來(lái)比較處理器功率效率的基準是毫瓦/兆赫（mW/MHz）。使用這個(gè)基準時(shí)有個(gè)問(wèn)題，就是它不能告訴你在每個(gè)時(shí)鐘周期內處理器完成多少工作。較低的毫瓦/兆赫值未必能表明一個(gè)處理器可能需要將時(shí)鐘頻率加倍，并消耗更多的功率才能完成與另一個(gè)處理器相同的工作。
另一個(gè)替代功率效率基準的是毫瓦/百萬(wàn)指令/秒。你使用這一基準時(shí)仍要小心謹慎，因為你可能不清楚基準得分是由哪些指令序列獲得的。例如，只執行 NOP（空操作）指令時(shí)功耗可能最低，但這對實(shí)際應用毫無(wú)意義。執行完全來(lái)自緩存或本機內存的算法所得到的基準得分可以表示一種較好的指令混合，而完全在本機內存以外工作則既是不可行的，也不適合于你的系統設計。
在比較處理器的體系結構時(shí)，處理器制造商提供的處理器功耗典型值和最大值只有有限的參考價(jià)值，因為功耗可能會(huì )因執行的指令、操作的數據、脫片工作數量以及動(dòng)態(tài)功率管理功能的不同而相差很大。一個(gè)更有用的比較功耗的基準是毫瓦/任務(wù)；但這種量度很難實(shí)現，特別是很難用完全一致的方式去比較兩種處理器體系結構。
有些處理器廠(chǎng)家提供一些電子表格和分析工具，以幫助你根據自己的系統的特性和所采用的電源管理功能來(lái)進(jìn)行更為有用的功耗估算。這些電子表格和分析工具盡管現在還比較簡(jiǎn)陋，但可以讓你用人工的方法表征系統的特性、你將要使用的指令混合、脫片工作的類(lèi)型和數量，以及使用器件內置電源管理功能的影響。電源管理功能包括：關(guān)斷不工作模塊的電源，限制時(shí)鐘信號向不工作模塊傳送，動(dòng)態(tài)調整時(shí)鐘頻率，以及調整作為時(shí)鐘頻率函數的電源電壓。
低功耗特性
許多處理器都設有睡眠模式、待機模式或低功耗模式，用以關(guān)掉特定的模塊（如外設、處理器芯核以及時(shí)鐘發(fā)生器的晶振）的電源。有選擇地關(guān)斷這些模塊的電源，可使你將這些模塊的功耗（包括靜態(tài)功耗）降低到零，因為不關(guān)掉電源，它們做的是無(wú)用功。為了保存系統狀態(tài)數據，并避免重新起動(dòng)，低功耗模式通常要保留對存儲器結構的供電。當一個(gè)模塊恢復供電時(shí)，在電源電壓和時(shí)鐘信號穩定之前存在一個(gè)時(shí)間延遲。由于這一原因，在以下兩種情況下以這種方法關(guān)斷模塊電源是不切實(shí)際的：模塊的空閑時(shí)間小于穩定時(shí)間，或模塊對事件的響應時(shí)間比穩定時(shí)間更快。關(guān)斷模塊電源是一種強制性技術(shù)，無(wú)論 在BIOS、操作系統或應用級，它都要依靠軟件來(lái)根據通用或定制的運行狀態(tài)模型來(lái)作出決定。
在一個(gè)器件的總功耗中，其時(shí)鐘樹(shù)的功耗可能占到一半，因為一般情況下，時(shí)鐘信號的頻率是任何其它信號的兩倍，而且它必須在器件內的任何地方傳送。有些系統經(jīng)過(guò)分區，將獨立的時(shí)鐘信號域供不同的模塊和元件使用，這樣的系統就不需要整體系統都以最高速度工作，因而可降低功耗。使用較低的時(shí)鐘頻率，不僅能減少功耗，而且還可以降低對高時(shí)鐘所需的邊沿快速率的要求，從而減小系統的EMI（電磁干擾）。
時(shí)鐘門(mén)控是一種動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)，它是與軟件無(wú)關(guān)，并對軟件是透明的；它可以防止時(shí)鐘信號傳輸到系統中當前不工作的模塊，從而減少動(dòng)態(tài)功耗和 EMI。時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)并不關(guān)斷某一功能塊的電源，因此它不會(huì )降低靜態(tài)功耗，但卻不受很長(cháng)起動(dòng)延遲時(shí)間的影響，而且它是按一個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期起作用的。
在有設計良好的分級時(shí)鐘分配機制情況下，時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)能以精確的粒度等級，阻止時(shí)鐘傳送到不工作的部件，如總線(xiàn)、高速緩存、功能加速器和外設。時(shí)鐘門(mén)控實(shí)際能達到的粒度等級是有限的，因為它依靠控制邏輯來(lái)決定何時(shí)和是否沿某一時(shí)鐘分配分支路傳輸時(shí)鐘信號。因此，時(shí)鐘門(mén)控邏輯自身的功耗應該小于它減少的功耗。異步電路，亦即無(wú)時(shí)鐘電路，是另一種使低功耗和高性能保持平衡的專(zhuān)用方法，類(lèi)似于同步系統中理想時(shí)鐘門(mén)控技術(shù)（附文“異步電路”）。
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