嵌入式系统的低功耗设计技术

引言EDA中国门户网站^4d^(^%z:{
    功耗问题是近几年来人们在嵌入式系统的设计中普遍关注的难点与热点，特别是对于电池供电系统，而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。降低系统的功耗具有下面的优点：
L7t:fU)GEC%A;jV#iC0（1）对于电池供电系统，延长电池的寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销，甚至能起到保护环境的作用；
k+Sd1mYrkp&@,m0（2）安全的需要：例如工业现场总线设备的本安要求，实现本安要求的一个重要途径是降低系统的功耗；
J;k}'q'\f0（3）降低电磁干扰：系统的功耗越低，电磁辐射的能量越小，对其它设备造成的干扰越小，如果所有的电子产品都设计成低功耗的，那么电磁兼容性设计会变得容易；EDA中国门户网站^&X)x1gAb)f/A
（4）节能：特别是对电池供电系统来说，节能更为重要。

j&[zQ,^SA*m p0功耗产生的原因
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ZX V M&w0    目前的集成电路工艺主要有TTL和CMOS两大类，无论哪种工艺，电路中只要有电流通过，就会产生功耗。通常，集成电路的功耗分为静态功耗和动态功耗两部分：当电路的状态没有进行翻转（保持高电平或低电平）时，电路的功耗属于静态功耗，其大小等于电路的电压与流过的电流的乘积；动态功耗是电路翻转时产生的功耗，由于电路翻转时存在跳变沿，在电路的翻转瞬间，电流比较大，存在较大的动态功耗。

aN/Q [iHq)I8G0    其中是静态功耗，是工作电压，是工作频率，是负载电容。与功耗相关的因素越大，功耗越大。EDA中国门户网站2M wB'lz
由于目前大多数电路采用CMOS工艺，静态功耗很小，可以忽略。起主要作用的是动态功耗，因此降低功耗从降低动态功耗入手。

硬件低功耗设计EDA中国门户网站WO-xx"|HU@

"GDr$T0y4u }8v0选择低功耗的器件
TJnL `|)^rp0    选择低功耗的电子器件可以从根本上降低整个硬件系统的功耗，目前的半导体工艺主要有TTL工艺和CMOS工艺，CMOS工艺具有很低的功耗，在电路设计上尽量选用，使用CMOS系列电路时，其不用的输入端不要悬空，因为悬空的输入端可能存在的感应信号造成高低电平的转换，转换器件的功耗很大，尽量采用输出为高的原则。EDA中国门户网站SN@$Bs3P
    嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，消耗大量的功率，因此设计时选用低功耗的处理器；另外，选择低功耗的通信收发器（对于通信应用系统）、低功耗的外围电路，目前许多的通信收发器也设计成节省功耗方式，这样的器件优先采用。EDA中国门户网站?I:K}5F9u$l
选用低功耗的电路形式EDA中国门户网站zXz7Iv V1J+@
    完成同样的功能，电路的实现形式有多种。例如，可以利用分立元件、小规模集成电路、大规模集成电路甚至单片实现。通常，使用的元器件的数量越少，系统的功耗越低。因此，尽量使用集成度高的器件，减少电路中使用的元件的个数，减少整机的功耗。EDA中国门户网站 Nfg8I!_U8l,\;Dr

"G$BQ}$h9^0单电源、低电压供电
Ow!\QH)t2k0    一些模拟电路如运算放大器等，供电方式有正负电源和单电源两种。双电源供电可以提供对地输出的信号。高电源电压的优点是可以提供大的动态范围，缺点是功耗大。例如低功耗集成运算放大器LM324，单电源电压工作范围为5V~30V，当电源电压为15V时，功耗约为220mW；当电源电压为10V时，功耗约为90mW；当电源电压为5V时，功耗约为15mW。可见，低电压供电对于降低器件功耗的作用十分明显。因此，处理小信号的电路可以降低供电电压。

,G[a8`jE'r3?$po0分区/分时供电技术EDA中国门户网站,WHU0lGH
    一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作，基于此，可采用分时/分区供电技术。原理是利用“开关”控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，仅保留工作部分的电源。
"e(ytC[\0I/O引脚供电
[*~$J7tZ&c+IP0    嵌入式处理器的输出引脚在输出高电平时，可以提供约20mA的电流，该引脚可以直接作为某些电路的供电电源使用，如图2所示，处理器的引脚输出高电平时，外部器件工作；输出低电平时，外部器件停止工作。需要注意，该电路需满足下列要求：外部器件的功耗较低，低于处理器I/O引脚的高电平输出电流；外部器件的供电电压范围较宽。EDA中国门户网站tiJ+b$nD,f |$J
电源管理单元设计
%_9\$jA co0    处理器全速工作时功耗最大；待机状态时功耗比较小。常见的待机方式有两种：空闲方式（idle）和掉电方式（shut down）。其中idle方式可以通过中断的发生退出，中断可以由外部事件供给。掉电方式指的是处理器停止，连中断也不响应，因此需要进入复位才能退出掉电方式。EDA中国门户网站
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为了降低系统的功耗，一旦CPU处于“空转”，可以使之进入idle状态，降低功耗；期间如果发生了外部事件，可以通过事件产生中断信号，使CPU进入运行状态。对于shut down状态，只能用复位信号唤醒CPU。
5G*F,[5t"zE;OF`0智能电源设计EDA中国门户网站s,{(ws7Rw:P
    既要保证系统具有良好的性能，又能兼顾功耗问题，一个最好的办法是采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测，根据需要对系统采取不同的供电方式，以求系统的功耗最低。许多膝上型电脑的电源管理采用了智能电源，以笔记本电脑为例，在电源管理方面，Intel公司采取了Speed Step技术；AMD公司采取了Power Now技术；Transmeta公司采取了Long Run技术。虽然三种技术涉及到的具体内容不同，但基本原理是一致的。以采用Speed Step技术的笔记本电脑为例，系统可以根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调整。如果系统使用外接电源，CPU将按照正常的主频率及电压运行；当检测到系统为电池供电时，软件将自动切换CPU的主频率及电压至较低状态运行。EDA中国门户网站&a*\,Uld+pa3aQ
降低处理器的时钟频率
h*TO$^|?0    处理器的功耗与时钟频率密切有关。例如Microchip公司的PIC16C54在不同的振荡方式和频率下的功耗如表1所示。
.L.s3}/@M2{p0表1  处理器时钟与功耗的关系EDA中国门户网站m }!NeE B
振  荡  器EDA中国门户网站7A5^DoTlsE{
频率/kHz
D D[A2k!]V0振 荡 模 式EDA中国门户网站En M@ H$J2h7KXI
上电期/μAEDA中国门户网站b.kfeI"j l ^
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T1e)FNM {D0    因此设计系统时，如果处理能力许可，尽量降低处理器的时钟频率。EDA中国门户网站hbsbA:OGK ^7UUZ
动态改变处理器的时钟频率
2P Y~x me0    处理器的工作频率和功耗的关系很大，频率越高，功耗越大。例如：时钟频率32kHz、3V工作电压时，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列单片机的典型工作电流只有15μA。在许多低功耗的场合，采用低速晶振实现低功耗非常有效。EDA中国门户网站VM3m8u H\
    另外，可以动态改变处理器的时钟以降低系统的总功耗。CPU空闲时降低时钟频率；处于工作状态时，提高时钟频率，全速运行处理事务，实现这一技术的方法。通过将I/O引脚设定为输出高电平，电阻R1的加入将增加时钟频率，I/O引脚输出低电平，去掉R1电阻，可降低时钟频率以降低功耗。EDA中国门户网站0O9_+j)RO+f
降低持续工作电流EDA中国门户网站(e$pxVt1a
    在一些系统中，尽量使系统在状态转换时消耗电流，在维持工作时期不消耗电流。例如IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和关闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗。
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^;V?j4A&A u;N L0软件低功耗设计
Bt)K+RD:L4MK+N'kZ0编译低功耗优化技术EDA中国门户网站6r/`!x~%nzg:F2Z[e
    编译技术降低系统功耗是基于这样的事实：对于实现同样的功能，不同的软件算法消耗的时间不同、使用的指令不同，因而消耗的功率不同。目前的软件编译优化方式有多种，如基于代码长度优化，基于执行时间优化等。基于功耗的优化方法目前很少，仍处于研究中。但是，如果利用汇编语言开发系统（如对于小型的嵌入式系统开发），可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法，降低系统的功耗。EDA中国门户网站R_3x&@*^)Q|+a
硬件软件化与软件硬件化
e,yg3ZVc9v0    通常硬件电路一定消耗功率，基于此，可以减少系统的硬件电路，把数据处理功能用软件实现，如许多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等。EDA中国门户网站%C+k-VjU"M
    需要考虑，软件处理需要时间，处理器也需要消耗功率，特别是处理大量的数据的时候，需要高性能的处理器，可能会消耗大量的功率。因此，系统中某一功能用软件实现还是硬件实现，需要综合计算设计。EDA中国门户网站4`.c AZ.A.~H8}q
减少处理器的工作时间
'qst$i8D1S0    如果可能，尽量减少CPU的全速运行时间以降低系统的功耗，使CPU较长地处于空闲方式或掉电方式是软件设计降低系统功耗的关键。在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短时间内完成对信息或数据的处理，然后就进入空闲或掉电方式，在关机状态下让它完全进入掉电方式，用定时中断、外部中断或系统复位将它唤醒。这种设计软件的方法是所谓的事件驱动的程序设计方法。EDA中国门户网站Ps8DQ;s*k%~#_~z1u
采用快速算法EDA中国门户网站B6[s.ERW
    数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，可以大量节省运算时间，从而减少功耗；在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似，也是减少功耗的一种方法。
@SKszb+W0通信中采用快速通信速率
"`-LIIB&e2`0    在多机通信中，尽量提高传送的波特率。提高通信速率，意味着通信时间缩短，一旦通信完成，通信电路进入低功耗状态；并且发送、接收均应采用外部中断处理方式，而不采用查询方式。EDA中国门户网站&F;KQ w/I5B
数据采集系统中降低采集速率
/`UEc$q yo vB0    在测量和控制系统中，数据采集部分的设计需根据实际情况，不要只顾提高采样率，因为模数转换时功耗较大，过大的采样速率不仅功耗大，而且为了传输处理大量的冗余数据，也会额外消耗CPU的时间和功耗。
Q1T0W$TA eh0延时程序设计EDA中国门户网站C2ThaY)k
    延时程序的设计有两种方法：软件延时和硬件定时器延时。为了降低功耗，尽量使用硬件定时器延时，一方面提高程序的效率，另一方面降低功耗。原因如下：
'L2i+xV5o@_l8Zp?0    大多数嵌入式处理器在进入待机模式时，CPU停止工作，定时器可正常工作，定时器的功耗可以很低，所以处理器调用延时程序时，进入待机方式，定时器开始计时，时间到则唤醒CPU。这样一方面CPU停止工作降低了功耗，另一方面提高了CPU的运行效率。
.iE9l$D?GC:t0静态/动态显示EDA中国门户网站&_CjzMZ!g;m"IR
    嵌入式系统的显示方式有两种：静态显示和动态显示。
VN+BH M5_V1x@0    所谓静态显示，显示的信息通过锁存器保存，然后接到数码管上，这样一旦把显示的信息写到数码管上，在显示的过程中，处理器不需要干预，可以进入待机方式，只有数码管和锁存器在工作。EDA中国门户网站:oi!DBr
    动态显示的原理是利用CPU控制显示的刷新，为了达到显示不闪烁，刷新的频率也有底限要求，可想而知，动态显示技术要消耗一定的CPU功耗。
5GYx4dE6] V.q9ym0    如果动态显示需要CPU控制显示的刷新，那么会消耗一定的功耗；静态显示的电路复杂，虽然电路消耗一定的功率，如果采用低功耗电路和高亮度显示器可以得到很低的功耗。
:t.Z!^Z%j X0    系统设计时，采用静态显示和动态显示，需要根据使用的电路进行计算以选择合适的方案。

.O g)r5K,tr+R`(T0结语
qjj;J*@B"XH0    嵌入式系统的功耗设计涉及到软件、硬件、集成电路工艺等多个方面，本文从原理和实践上探讨了系统的低功耗设计问题，并给出了低功耗系统的设计方案和原理。实际上，文中提供的方案原理在实际系统中应用的时候，可以综合考虑、综合应用，以达到降低系统功耗的目的。