嵌入式系統(tǒng)低功耗的設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計低功耗嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例嫦娥二號中的低功耗系統(tǒng)計算機(jī)功耗功耗：設(shè)備輸入功率和輸出功率的差額計算機(jī)是一種電子設(shè)備，正常工作必定產(chǎn)生功耗獨(dú)立工作的嵌入式系統(tǒng)，假如沒有輸出功率，其消耗的電能最終都轉(zhuǎn)化熱量過高的功耗會帶來散熱、能源奢侈、電磁干擾、穩(wěn)定性降低、平安隱患等一系列問題嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計的重要性低功耗設(shè)計可延長電池供電系統(tǒng)持續(xù)工作時間低功耗設(shè)計是延長系統(tǒng)運(yùn)用壽命、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的須要低功耗設(shè)計降低系統(tǒng)的散熱要求低功耗設(shè)計有利于節(jié)約能源低功耗設(shè)計可削減系統(tǒng)的電磁輻射低功耗設(shè)計可提高系統(tǒng)的平安性計算機(jī)主板中的散熱器功耗類型靜態(tài)功耗：門電路的狀態(tài)不發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，門電路的功耗，CMOS門電路的靜態(tài)功耗特殊小動態(tài)功耗：當(dāng)門電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗。電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生瞬間的大電流，并引起負(fù)載電容的充/放電，產(chǎn)生較大功耗動態(tài)功耗是影響系統(tǒng)功耗的主要因素CMOS非門電路結(jié)構(gòu)當(dāng)VIN=0V時，TN截止，TP導(dǎo)通，VOUT≈VDD，為高電平當(dāng)VIN=VDD時，TN導(dǎo)通，TP截止，VOUT≈0V，為低電平CMOS非門電路在靜止?fàn)顟B(tài)下，總有一個MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)(nW級功耗)CMOS門電路動態(tài)功耗包括兩個部分：電容充放電功耗、瞬時導(dǎo)通功耗CMOS門電路電容充放電功耗Pturn當(dāng)輸入翻轉(zhuǎn)為“0”時，TP導(dǎo)通，電源通過PMOS向負(fù)載電容充電當(dāng)輸入翻轉(zhuǎn)為“1”時，負(fù)載電容通過TN向地放電。隨著CMOS門電路狀態(tài)的變更，負(fù)載電容上不斷發(fā)生充、放電過程，從而產(chǎn)生功耗，這就是電容充放電功耗電容充放電引起的平均動態(tài)功耗占門電路全部功耗的70%到90%CMOS門電路瞬時導(dǎo)通功耗Pshort

實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)移曲線并不是志向的方形，BCDE時間不為零，零內(nèi)阻的MOS管會在電源與地之間形成干脆短路的現(xiàn)象對大多數(shù)芯片，瞬時導(dǎo)通功耗占總動態(tài)功耗的5%到10%電路功耗的組成P=Pturn+PShort+PLeakage：CMOS門電路總的平均動態(tài)功耗電容充放電功耗和瞬時導(dǎo)通功耗組成的動態(tài)功耗是主要因素，靜態(tài)功耗的影響較小動態(tài)功耗是總功耗的主要部分，但靜態(tài)功耗也是不行忽視的一部分電路系統(tǒng)功耗設(shè)計的基本原則電源電壓宜低不宜高，工作電壓的降低可以顯著削減系統(tǒng)功耗。時鐘宜慢不宜快，所以在滿足需求的前提下，盡可能降低系統(tǒng)工作時鐘的頻率。系統(tǒng)宜靜不宜動，在沒必要的時候，可停止系統(tǒng)的工作，如關(guān)閉工作時鐘、停止對內(nèi)存的訪問、停止總線的時序操作等系統(tǒng)級硬件功耗限制方法選擇低功耗器件接受低功耗電路形式充分利用器件的低功耗工作模式選擇低功耗電源電路分區(qū)分時供電動態(tài)電壓與頻率調(diào)整其它硬件功耗限制方法選擇低功耗器件CMOS器件具有低功耗、高輸入阻抗的特點(diǎn)，廣泛接受CMOS器件可降低嵌入式系統(tǒng)功耗選擇處理器時，不僅要關(guān)注其計算速度、接口和功能的多少，還要關(guān)注其功耗特性選擇存儲器、接口限制器等器件時也要考慮功耗的問題接受低功耗電路形式功耗可以達(dá)到100W~200W左右接受低功耗電路形式功耗20W左右接受低功耗電路形式系統(tǒng)功耗可限制在10W以內(nèi)充分利用器件的低功耗工作模式從處理器，到各類接口限制、存儲器，很多都有不同的功耗模式軟件限制S3C44B0X時鐘發(fā)生器是否向各個功能模塊供應(yīng)時鐘，從而實現(xiàn)功耗的限制S3C44B0X有5種功耗模式：正常模式、慢速模式、停機(jī)模式、IDLE模式、SLIDLE模式選擇低功耗電源電路嵌入式系統(tǒng)須要直流供電。通常狀況下，先由外部直流電源或電池供應(yīng)初級的直流供電，在電路板上再用DC-DC電源電路將輸入電壓變換為電路須要的各種電壓DC-DC電源電路會產(chǎn)生功耗，電壓轉(zhuǎn)換效率越低，功耗越大。在嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計中，電源電路自身的功耗是一個須要重點(diǎn)考慮的因素直流電源輸入線性穩(wěn)壓電源原理缺點(diǎn)：效率低、功耗大、常須要散熱優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性高、紋波小、電磁兼容性能好、電路簡潔集成線性穩(wěn)壓器DC-DC開關(guān)電源Boost升壓型電源Buck降壓型電源Boost升壓型電源變換電路原理當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管可防止電容對地放電，輸入電源對電感充電；當(dāng)開關(guān)管斷開時，電感存儲的電能向電容充電，使電容兩端電壓上升。假如電感量、電容量足夠大，開關(guān)管通斷的過程不斷重復(fù)，可以在電容兩端得到高于輸入電壓的電壓。Boost升壓型電源變換電路Buck降壓型電源變換電路通過開關(guān)管的通斷，將輸入直流電壓變?yōu)榉讲?，再利用LC濾波電路對方波進(jìn)行濾波，得到比輸入電壓低的輸出電壓。輸出電壓與方波的占空比及開關(guān)頻率有關(guān)。Buck降壓型電源變換電路DC-DC開關(guān)電源特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：效率可以達(dá)到90%左右，不會象線性電源那樣產(chǎn)生大量的熱量缺點(diǎn)：電磁輻射，輸出紋波較大，電路更困難集成開關(guān)電源限制器嵌入式系統(tǒng)電源電路選擇輸入、輸出電壓差距大，考慮開關(guān)電源電源功率大，考慮開關(guān)電源升壓電源，要用開關(guān)電源電流小、壓差小、紋波要求高、價格低，考慮線性電源分區(qū)分時供電典型手機(jī)的組成模塊動態(tài)電壓與頻率調(diào)整數(shù)字電路的功耗與工作頻率成正比、與工作電壓的平方成正比，所以降低工作頻率、降低工作電壓可明顯降低功耗動態(tài)電壓調(diào)整(DVS，DynamicVoltageScaling)是一種通過限制供電電壓調(diào)整系統(tǒng)功耗的技術(shù)動態(tài)電壓與頻率調(diào)整（DVFS，DynamicVoltageandFrequencyScaling）動態(tài)電壓調(diào)整的條件具有能對處理器負(fù)荷進(jìn)行評估和預(yù)料的智能軟件或硬件電源管理模塊支持電壓調(diào)整，依據(jù)指令調(diào)整輸出電壓，使處理器工作電壓與其任務(wù)負(fù)荷相適應(yīng)微處理器本身支持DVS技術(shù)，可以在確定的電壓范圍內(nèi)正常工作FAN5355可編程穩(wěn)壓器動態(tài)電壓與頻率調(diào)整工作電壓和工作頻率的調(diào)整相互協(xié)調(diào)、同步進(jìn)行，是實現(xiàn)處理器功耗動態(tài)管理的有效方法ARM處理器智能功耗管理IEM（IntelligentEnergyManager)AVS（AdaptiveVoltageScaling）Intel:SpeedStep其它硬件功耗限制方法門控時鐘：在寄存器的時鐘網(wǎng)絡(luò)上插入門控電路，產(chǎn)生一個消退寄存器不必要活動的限制信號，削減了電路中不必要的信號翻轉(zhuǎn)，從而降低功耗接口電路的低功耗設(shè)計：上拉電阻的阻值盡可能大些；不用的CMOS輸入引腳接到信號地或高電平；沒必要的時候盡量不用信號驅(qū)動器；繼電器、光耦、LED的驅(qū)動電路要避開長時間持續(xù)地消耗電流；等等限制輸入信號：限制輸入信號，削減數(shù)據(jù)量，有利于限制系統(tǒng)功耗軟件功耗限制方法接受低功耗優(yōu)化的編譯技術(shù)用“中斷”代替“查詢”用“宏”代替“子程序”盡量削減處理器的計算量削減系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行時間實現(xiàn)電源的管理接受低功耗優(yōu)化的編譯技術(shù)高級語言程序比專家級的匯編/機(jī)器語言程序執(zhí)行速度降低，也意味著功耗的增加同一個程序，不同的編譯器、或編譯器不同的編譯選項產(chǎn)生不同的指令序列產(chǎn)生不同的功耗通過優(yōu)化編譯器可以有效地降低嵌入式系統(tǒng)的功耗編譯器功耗優(yōu)化的主要目標(biāo)是在不降低或不明顯降低程序執(zhí)行效率的狀況下做到最小化峰值功耗、最小化總的能量消耗以及在功耗/性能間取得平衡用“中斷”代替“查詢”中斷方式，只有事務(wù)產(chǎn)生時，才引起中斷，處理器在中斷服務(wù)程序里對事務(wù)進(jìn)行處理查詢方式，處理器須要周期性主動地檢測是否有事務(wù)發(fā)生，在事務(wù)發(fā)生時進(jìn)行相關(guān)處理中斷方式下，無事務(wù)產(chǎn)生時，可以進(jìn)入低功耗模式；而查詢方式下，處理器必需執(zhí)行相應(yīng)軟件代碼，不停地檢測相關(guān)寄存器狀態(tài)以推斷事務(wù)是否發(fā)生，從而帶來不必要的功耗用“宏”代替“子程序”宏與子程序都可以用一個名字定義一段程序，以簡化源程序的結(jié)構(gòu)和設(shè)計宏引用多少次，就相應(yīng)擴(kuò)展多少次，所以，運(yùn)用宏定義只是簡化了源程序設(shè)計，不會削減目標(biāo)程序的代碼量子程序代碼在目標(biāo)程序中只出現(xiàn)一次，調(diào)用子程序是執(zhí)行同一程序段，因此，目標(biāo)程序也得到相應(yīng)的簡化宏定義盡管占用的更多的存儲空間，但提高了程序的執(zhí)行效率，同時可以削減系統(tǒng)的功耗盡量削減處理器的計算量用查表代替計算不過分追求計算精度，避開“過度”的計算盡量運(yùn)用短數(shù)據(jù)類型，在精度允許的狀況下，運(yùn)用簡潔函數(shù)代替困難函數(shù)，得到近似的計算結(jié)果，降低計算困難度通過削減須要處理的數(shù)據(jù)量，從而削減計算量削減系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行時間讓任務(wù)的處理盡快完成，并在處理器空閑時，使系統(tǒng)進(jìn)入低功耗的待機(jī)模式，削減系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行時間在須要處理任務(wù)時，再用定時中斷、外部中斷等方式將系統(tǒng)喚醒實現(xiàn)電源的管理電源管理首先要硬件電路的支持，但對電源的管理操作由軟件來完成高級電源管理（APM）是一種基于BIOS的系統(tǒng)電源管理方案高級配置與電源接口（ACPI）是在APM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高級電源管理模式，是一種開放式的工