嵌入式系統(tǒng)低功耗設(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)計算機功耗功耗：設(shè)備輸入功率和輸出功率的差額計算機是一種電子設(shè)備，正常工作必定產(chǎn)生功耗獨立工作的嵌入式系統(tǒng)，如果沒有輸出功率，其消耗的電能最終都轉(zhuǎn)化熱量

過高的功耗會帶來散熱、能源浪費、電磁干擾、穩(wěn)定性降低、安全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)使用壽命、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的需要低功耗設(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)計可減少系統(tǒng)的電磁輻射

低功耗設(shè)計可提高系統(tǒng)的安全性

計算機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)功耗非常小動態(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)的改變，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)移曲線并不是理想的方形，BCDE時間不為零，零內(nèi)阻的MOS管會在電源與地之間形成直接短路的現(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)功耗也是不可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減少系統(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)級硬件功耗控制方法選擇低功耗器件采用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)節(jié)其它硬件功耗控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，廣泛采用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、接口控制器等器件時也要考慮功耗的問題采用低功耗電路形式功耗可以達(dá)到100W~200W左右采用株低功野耗電尋路形摔式功耗20碌W左右采用覺低功孕耗電唉路形爺式系統(tǒng)振功耗滋可控群制在10激W以內(nèi)充分歸利用袋器件探的低鋼功耗湖工作擁模式從處瘡理器簡，到顯各類啊接口暗控制妙、存嫁儲器律，很溫多都信有不棋同的疫功耗表模式軟件道控制S3栽C4松4B慰0X時鐘批發(fā)生贊器是玩否向鹿各個賄功能麗模塊搶提供過時鐘番，從閘而實石現(xiàn)功潛耗的蔥控制S3趴C4郵4B句0X有5種功摩耗模能式：需正常唱模式菜、慢晚速模濃式、輕停機暴模式治、ID械LE模式濃、SL日I虜DL刊E模式選擇嚷低功響耗電絲式源電鍋路嵌入劈燕式系引統(tǒng)需抗要直輪流供看電。撥通常治情況觸下，斯先由撿外部若直流罪電源叼或電訂池提內(nèi)供初襲級的解直流蹤蝶供電孩，在求電路亂板上相再用DC隊-D培C電源汪電路呈將輸雞入電干壓變鼠換為低電路穗需要屠的各愛種電柳壓DC兄-D粱C電源太電路月會產(chǎn)貝生功唱耗，電壓受轉(zhuǎn)換垂效率越低駝，功令耗越軋大?？驮谇兑鋈胧缴谙到y(tǒng)澇的低澡功耗礙設(shè)計羊中，晝電源番電路武自身包的功參耗是針一個蒙需要箱重點縮慧考慮登的因枝素直流滾電源似輸入線性敬穩(wěn)壓筐電源谷原理缺點徐：效率埋低、每功耗蟻大、駱常需保要散慣熱優(yōu)點碗：穩(wěn)定框性高朗、紋麻波小序、電名磁兼冷容性時能好凡、電慚路簡裳單集成都線性忍穩(wěn)壓旅器DC羽-D斥C開關(guān)貿(mào)電源Bo筍os轟t升壓忍型電束源Bu冬ck降壓濱型電屆源Bo湖os步t升壓炕型電憶源變煎換電仗路原抓理當(dāng)開調(diào)關(guān)管吩導(dǎo)通授時，蠅二極犯管可久防止素電容勤對地茂放電兔，輸奧入電故源對蜂電感難充電浙；當(dāng)馬開關(guān)社管斷仗開時猴，電歷感存錢儲的扶電能拘向電猛容充提電，序使電信容兩宰端電昌壓升飼高。幸如果隙電感顛量、進(jìn)電容卸量足才夠大袋，開協(xié)關(guān)管蛙通斷旦的過濤程不魚斷重鋤復(fù)，優(yōu)可以滴在電松容兩券端得漠到高瘋于輸樓入電翅壓的柏電壓散。Bo靜os隨t升壓捆型電洋源變軍換電妙路Bu武ck降壓盜型電煎源變?nèi)Q電穩(wěn)路通過惠開關(guān)夫管的炭通斷另，將謀輸入順直流藍(lán)電壓視變?yōu)闉撤讲ㄗ?，再作利用LC濾波近電路記對方作波進(jìn)脊行濾逃波，雁得到燃比輸鄭入電違壓低勉的輸仿出電幟壓。毛輸出樂電壓訴與方賊波的茂占空擱比及你開關(guān)減頻率庭有關(guān)檔。Bu艦ck降壓宅型電盾源變債換電鬧路DC采-D績C開關(guān)扯電源憑特點優(yōu)點：效雄率可忠以達(dá)瓶到90設(shè)%左右將，不劍會象洗線性虹電源嶄那樣尤產(chǎn)生劑大量休的熱尚量缺點：電機磁輻兔射，煌輸出齊紋波棕較大武，電料路更值復(fù)雜集成萄開關(guān)瓶電源戴控制宿器嵌入業(yè)式系載統(tǒng)電蛙源電層路選艦擇輸入窄、輸想出電束壓差夜距大玩，考勿慮開嶼關(guān)電辯源電源匠功率憑大，嚴(yán)考慮細(xì)開關(guān)雷電源升壓達(dá)電源梢，要毛用開牌關(guān)電鴉源電流形小、姑壓差瞧小、舌紋波貞要求譯高、狠價格魚低，甩考慮津線性告電源分區(qū)逝分時賀供電典型倒手機貫的組奸成模紛塊動態(tài)營電壓區(qū)與頻庫率調(diào)勞節(jié)數(shù)字鄰電路兄的功擋耗與粉工作膽頻率泉成正遇比、花與工相作電凈壓的敗平方苦成正圓比，勿所以群降低郊工作決頻率低、降旬低工縫作電冶壓可滴明顯刻降低謠功耗動態(tài)柴電壓霜調(diào)節(jié)(D民VS，Dy攜na畫mi博c懂Vo擇lt號ag芬e鎖Sc烈al腳in造g)是一季種通是過控魯制供刊電電阿壓調(diào)造整系蜻統(tǒng)功粘耗的料技術(shù)動態(tài)企電壓全與頻過率調(diào)籠節(jié)（DV嫩FS，Dy怎na丹mi速c夏Vo青l(xiāng)t柴ag渾e掠an斷d謀Fr哲eq跡ue椅nc僑y咸Sc部al宋in滔g）動態(tài)泥電壓故調(diào)節(jié)從的條記件具有抽能對包處理偷器負(fù)秩荷進(jìn)木行評蜂估和堪預(yù)測唇的智睬能軟懇件或暢硬件電源男管理謊模塊披支持責(zé)電壓喂調(diào)節(jié)是，根吐?lián)钢钫{(diào)損節(jié)輸療出電庭壓，錦使處嚷理器豈工作孤電壓票與其覽任務(wù)套負(fù)荷辨相適丸應(yīng)微處營理器衡本身竭支持DV鞠S技術(shù)慎，可仆以在旬一定編的電繡壓范奔圍內(nèi)超正常梯工作FA生N5滴35花5可編于程穩(wěn)遍壓器動態(tài)閑電壓答與頻接率調(diào)竟節(jié)工作甘電壓考和工次作頻固率的謝調(diào)節(jié)印相互遷協(xié)調(diào)患、同需步進(jìn)軌行，億是實埋現(xiàn)處部理器辱功耗合動態(tài)餃管理競的有塞效方幅法AR籠M處理科器智憲能功手耗管月理IE衫M（In層te迎ll若ig咽en灑t升En歐er緒gy防M環(huán)an危ag伙er四)AV顯S（Ad既ap賄ti卷ve獅V噸ol而ta鍋ge杠S預(yù)ca雅li尋ng）In瓣te顛l:Sp賤ee險dS哄te禁p其它逆硬件碼功耗累控制針方法門控紀(jì)時鐘如：在寄缸存器攜的時敞鐘網(wǎng)期絡(luò)上因插入隸門控鄰電路擇，產(chǎn)踏生一撫個消維除寄特存器鄙不必氧要活瞇動的走控制霸信號誕，減洪少了勸電路虎中不察必要四的信寶號翻帖轉(zhuǎn)，恥從而鍬降低抹功耗接口戴電路逢的低序功耗載設(shè)計赤：上拉炭電阻粒的阻攀值盡等可能蜓大些躍；不槽用的CM油OS輸入守引腳欺接到拉信號束地或抵高電任平；區(qū)沒必仿要的背時候灰盡量捷不用敞信號窄驅(qū)動粉器；止繼電線器、贈光耦完、LE遵D的驅(qū)僑動電默路要坐避免館長時雖間持它續(xù)地悼消耗厚電流干；等醉等限制械輸入季信號魯：限制掛輸入丑信號多，減蜘少數(shù)挺據(jù)量尸，有鴨利于名控制牽系統(tǒng)漂功耗軟件奧功耗別控制始方法采用友低功豪耗優(yōu)筋化的拾編譯丹技術(shù)用“羞中斷探”代殲替“獅查詢傳”用“便宏”粘代替給“子疾程序愧”盡量寬減少慚處理流器的紫計算磚量減少放系統(tǒng)咽的持母續(xù)運殲行時咬間實現(xiàn)務(wù)電源蜘的管茄理采用飾低功譜耗優(yōu)客化的狠編譯旨技術(shù)高級鞠語言場程序扒比專渠家級候的匯漫編/機器沙語言溫程序黎執(zhí)行巡壽速度棒降低胖，也鞏意味匠著功謙耗的銹增加同一穿個程序序，勻不同趟的編渡譯器惰、或材編譯椅器不學(xué)同的伍編譯歉選項諒產(chǎn)生朝不同巴的指氏令序守列產(chǎn)柿生不聲同的輛功耗通過預(yù)優(yōu)化套編譯礎(chǔ)器可津以有具效地購降低步嵌入白式系排統(tǒng)的廈功耗編譯虜器功舊耗優(yōu)年化的歇主要蒜目標(biāo)睡是在晌不降辱低或屑不明魂顯降舊低程盟序執(zhí)賴行效倡率的著情況粉下做厭到最小定化峰毒值功廣耗、最小月化總秩的能勤量消幼耗以及懷在功耗/性能循間取玻得平撐衡用“處中斷軍”代塑替“饅查詢躁”中斷小方式膊，只翅有事響件產(chǎn)摸生時慘，才銅引起孝中斷嫩，處寫理器播在中懸斷服蹤蝶務(wù)程漫序里室對事迎件進(jìn)臥行處蠅理查詢杯方式露，處芹理器梢需要棍周期渣性主句動地除檢測澤是否夜有事蠢件發(fā)史生，映在事謎件發(fā)側(cè)生時故進(jìn)行仇相關(guān)檢處理中斷旋方式中下，橡無事剝件產(chǎn)彩生時縣，可嶼以進(jìn)爪入低系功耗踩模式座；而朗查詢權(quán)方式默下，馬處理紅器必赤須執(zhí)嚴(yán)行相渠應(yīng)軟淋件代幸碼，爬不停夜地檢購測相痰關(guān)寄命存器巧狀態(tài)鎮(zhèn)以判省斷事腳件是嬸否發(fā)主生，議從而每帶來糕不必餡要的繼功耗用“摸宏”蜓代替誼“子員程序徐”宏與小子程艱序都瓜可以遭用一要個名澆字定吳義一御段程泳序，制以簡衡化源桶程序疊的結(jié)皮構(gòu)和撒設(shè)計宏引符用多采少次榨，就拒相應(yīng)欲擴展皮多少庸次，奇所以而，使牧用宏構(gòu)定義而只是郊簡化貌了源披程序演設(shè)計逢，不楊會減悅少目壟標(biāo)程由序的柳代碼武量子程伸序代古碼在廊目標(biāo)齡程序蛇中只煉出現(xiàn)蒜一次跑，調(diào)且用子豆程序征是執(zhí)鄰行同叮一程固序段聯(lián)，因彩此，嘗目標(biāo)維程序畫也得勝到相氏應(yīng)的亮簡化宏定匹義盡甲管占斷用的抹更多肆的存覽儲空閱間，沾但提冒高了理程序甚的執(zhí)排行效姿率，漏同時騰可以今減少識系統(tǒng)困的功充耗盡量臉減少凝處理辦器的建計算繭量用查表壓代替俯計算不過錯分追晶求計窗算精咳度，避膨免“叨過度孫”的株計算盡量使用謠短數(shù)慢據(jù)類蹦型，在禾精度挨允許磁的情刃況下側(cè)，使囑用簡貞單函賤數(shù)代覆替復(fù)闊雜函揀數(shù)，游得到席近似兆的計府算結(jié)典果，妹降低珠計算當(dāng)復(fù)雜億度通過減少焰需要肅處理光的數(shù)捧據(jù)量，從昏而減帆少計高算量減少荒系統(tǒng)芹的持靜續(xù)運汪行時辯間讓任毅務(wù)的惱處理攜盡快圖完成翅，并乎在處皺理器乎空閑故時，殖使系隸統(tǒng)進(jìn)毅入低積功耗誘的待葡機模漁式，母減少的系統(tǒng)悄的持交續(xù)運野行時器間在需許要處啊理任蹦務(wù)時贏，再游用定察時中慨?dāng)?、?/p>