嵌入式硬件工程師培訓班_嵌入式系統(tǒng)設計中的低功耗技術

小嵌

嵌入式硬件工程師培訓班_嵌入式系統(tǒng)設計中的低功耗技術,   

引言

　　隨著科學的發(fā)展和微電子技術的不斷創(chuàng)新，嵌入式系統(tǒng)的應用越來越多， 并已廣泛滲透到各個領域。嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心， 以電子技術和計算機技術為基礎， 軟硬件可剪裁， 能適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、穩(wěn)定性、成本、體積、功耗等多方面嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。

　　在嵌入式系統(tǒng)的設計中， 低功耗設計技術成為許多設計人員逐漸關注的問題， 其原因在于嵌入式系統(tǒng)已被越來越多的應用在便攜式和移動性較強的產(chǎn)品中， 而這些產(chǎn)品往往要靠電池來供電。實際上， 這些年來， 有關電池的儲能密度并沒有得到大的進步。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提高續(xù)航能力， 似乎并不完全切合實際。因此， 為提高設備性能， 設計人員更需要從每一個細節(jié)考慮降低硬件系統(tǒng)本身的能耗。從而盡可能地延長電池的使用時間。事實上， 低功耗設計也已經(jīng)成為一個越來越迫切的問題， 因而應該從硬件和軟件兩個方面來考慮嵌入式系統(tǒng)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(xiàn)在絕大部分電路均采用集成電路CMOS工藝技術， 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(tǒng)功耗的作用， 因此， 應該繼續(xù)多采用CMOS集成電路工藝技術。另外， 由于采用CMOS集成工藝技術，其電路靜態(tài)功耗很�。�可忽略不計）， 而動態(tài)功耗較大， 因為動態(tài)功耗是指電路高低電平翻轉時產(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態(tài)功耗。動態(tài)功耗公式為：

    


　　其中， P代表CMOS芯片的動態(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系。因此， 使用CMOS系列電路時， 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， 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， 電路的實現(xiàn)形式有多種。例如， 盡可能地將嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部存儲器RAM轉換為外部的閃存FLASH， 因為在同樣條件下，讀內(nèi)部RAM比讀外部FLASH會帶來更大的功耗。也可以利用分立元件、小規(guī)模集成電路， 大規(guī)模集成電路甚至單片實現(xiàn)。通常使用的元器件數(shù)量越少， 系統(tǒng)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數(shù)， 減少整機的功耗。汽車電子嵌入式公司, 嵌入式系統(tǒng)綜合實驗, 嵌入式相機模塊, 嵌入式話筒面板, 嵌入式計價器, 嵌入式軟件能力評估, 視力測試嵌入式系統(tǒng), 嵌入式紅外光譜儀, mk+嵌入式音箱, 嵌入式開發(fā)密碼鎖, 嵌入式最有名的公司, 嵌入式api設計書, 嵌入式stm, 嵌入式鎖定管理器, 嵌入式系統(tǒng)環(huán)境變量, 嵌入式系統(tǒng)低功耗設計, 消防器材嵌入式, 嵌入式變量選擇方法, 嵌入式定時器程序, 什么事嵌入式居住, 嵌入式ktv點歌屏, 溫度嵌入式工作原理,

　　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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)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， 其關鍵在于供電電壓和時鐘頻率的高低； 而對于Pio， 除了各個專門I/O控制器的功耗外， 還有地址/數(shù)據(jù)總線寬度， 因為總線寬度越寬， 處理能力越大， 功耗也越大。所以降低功耗， 必需讓總線位數(shù)變窄。

　　要降低微處理器內(nèi)核的Pcore功耗， 就必須想法降低處理器的工作電壓和時鐘頻率， 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鐘頻率和工作電壓的選擇， 以便于最大限度地節(jié)約功耗。此外， 在進行系統(tǒng)設計時，在工作電壓相差不大和系統(tǒng)處理能力許可的情況下， 還應盡可能降低微處理器的時鐘頻率， 現(xiàn)以起到節(jié)能的作用。以SAMSUNG S3C2410 （32 位ARM 920T內(nèi)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、關機模式。各種模式下的功耗如表1所列。

表1 不同工作模式的時鐘頻率與功耗對比表

    


　　由表1可知， CPU在全速運行的時候， 比在空閑或者休眠時消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運行模式遠比空閑、休眠模式少占用時間。在類似PDA的設備中， 系統(tǒng)在全速運行時遠比空閑的時候少， 所以， 可以通過設置， 使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)， 使用時再通過相應的中斷喚醒CPU， 以恢復到正常工作模式來處理響應的事件， 然后再進入空閑模式。因此， 設計系統(tǒng)時， 如果處理能力許可， 可盡量降低處理器的時鐘頻率。

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

　　1.4 多CPU系統(tǒng)

　　盡管現(xiàn)在已有各種可在不過多加重功耗負擔的前提下提高性能的技術， 但用一個芯片來處理多種任務， 已不是一個較好的選擇。一是因為這些功能對芯片處理功能的要求可能各不相同， 二是因為一個負擔著多任務的芯片需要很高的速度， 這樣， 降低功耗就變得很困難， 這就使得多CPU 系統(tǒng)（MPCore） 成為一個必然的趨勢。多CPU 系統(tǒng)的一個明顯的優(yōu)勢是可針對不同的任務處理需要， 用不同的CPU 來各盡其職， 以將自身的優(yōu)勢充分發(fā)揮， 從而給予系統(tǒng)最優(yōu)化的性能表現(xiàn)。另一個優(yōu)勢是對功耗的控制: 假如用單CPU來完成所有的功能， 則不可避免地需要一個很高的CPU 速度， 從而造成很高的功耗， 浪費很多能源。多CPU 系統(tǒng)可以根據(jù)不同的任務來合理地啟動、停止相應的CPU 以完成任務， 而在不需要的時候處于停歇狀態(tài)， 從而最大限度地控制功耗。