嵌入式系統(tǒng)中的零功耗設(shè)計(jì)

1、嵌入式系統(tǒng)中的零功耗設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)中，普遍存在功耗鋪張現(xiàn)象。假如將人比作一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，人在行走時(shí)，系統(tǒng)處于延續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，眼睛負(fù)責(zé)觀看前方路況。通常在人行走的全過(guò)程中，眼睛都處于延續(xù)工作狀態(tài)，然而，在實(shí)際行走中，并不要求對(duì)前方路況信息延續(xù)捕獲。如果眼睛對(duì)前方路況捕獲時(shí)光小于 0.5 s，人體盲目行走每米的橫向偏差為0.05 m，當(dāng)路面允許最大橫向偏差不大于1 m時(shí)，人行走在 20 m范圍內(nèi)可不需要眼睛捕獲新的路況信息。這樣，人便可以閉上眼睛走路，只在每行走20 m的周期中，將眼睜開(kāi)0.5 s即可。當(dāng)行走速度為1 m/s時(shí)，行走過(guò)程中眼睛的有效工作時(shí)光僅為0.5 s/20 s = 2.5 %。

2、由此看來(lái)，通常行走時(shí)，眼睛的"功耗"有97.5 %都鋪張了。1 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念1.1 系統(tǒng)中的抱負(fù)功耗一個(gè)系統(tǒng)要運(yùn)行就會(huì)有功耗。假如系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有任何功耗鋪張，那么它的功耗就是系統(tǒng)的抱負(fù)功耗。在一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，因?yàn)槠毡榇嬖赾pu高速運(yùn)行功能和有限任務(wù)處理要求的巨大差異，會(huì)形成系統(tǒng)在時(shí)光與空間上巨大的無(wú)效操作。假如在系統(tǒng)運(yùn)行中，全部時(shí)光、空間上的無(wú)效操作都沒(méi)有功耗，那么系統(tǒng)便處于抱負(fù)功耗運(yùn)行之下。1.2 應(yīng)用系統(tǒng)中的有效操作時(shí)空占空比假如將系統(tǒng)運(yùn)行中，全部時(shí)光、空間上的有效操作和無(wú)效操作采納時(shí)空占空比來(lái)量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)所有運(yùn)

3、行操作之比。在一個(gè)詳細(xì)應(yīng)用系統(tǒng)中，有效操作的時(shí)空占空比有：宏觀時(shí)域占空比、宏觀區(qū)域占空比、微觀時(shí)域占空比和微觀區(qū)域占空比。以下以一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)-熱流量計(jì)為例來(lái)描述這4個(gè)占空比的概念。1.2.1 有效操作的宏觀時(shí)域占空比tdctdc定義為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)域上有效操作時(shí)光opact與所有運(yùn)行時(shí)光optot之比。因?yàn)榍度胧綉?yīng)用中cpu的高速運(yùn)行與有限任務(wù)操作的差異，經(jīng)常會(huì)形成有效操作高諧小量的時(shí)域占空比現(xiàn)象。例如，在熱流量計(jì)中，要采集、處理的物理參數(shù)有熱水的入口溫度、出口溫度和流量計(jì)數(shù)值。因?yàn)檫@些參數(shù)的大慣量特征，在滿足采集精度要求下，一次采集循環(huán)周期為10 min，然而系統(tǒng)完成一次采集、處理、存儲(chǔ)、

4、送顯示的時(shí)光只需2 s，1所示。那么，該系統(tǒng)的有效操作時(shí)光opact為 2 s，所有操作循環(huán)時(shí)光optot為600 s，系統(tǒng)宏觀有效操作時(shí)域占空比為1.2.2 有效操作的宏觀區(qū)域占空比sdc有效操作宏觀區(qū)域占空比定義為：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有效操作區(qū)域sact與系統(tǒng)所有區(qū)域stot之比。因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行時(shí)，并不是全部單元都處于有效操作狀態(tài)，特殊是在單cpu系統(tǒng)中，全部功能單元都是在cpu的輪番控制下運(yùn)行，致使系統(tǒng)的各部分電路輪番進(jìn)入有效操作狀態(tài)。例如，在熱流量計(jì)中，在有效操作時(shí)域opact中，除cpu外，采集、處理、存儲(chǔ)、送顯示的4個(gè)主體操作是輪番舉行的，2所示。假如按等區(qū)域原則最粗略地估算，可以算出該系

5、統(tǒng)宏觀有效操作的區(qū)域占空比為在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，假如故意識(shí)地按任務(wù)進(jìn)程，對(duì)系統(tǒng)電路舉行粗略的劃分，形成相對(duì)自立任務(wù)運(yùn)行空間，這樣便可較精確地計(jì)算出sdc值。1.2.3 有效操作的微觀時(shí)空占空比在數(shù)字系統(tǒng)中，進(jìn)入有效操作狀態(tài)的一個(gè)完整電路中，也不是每一時(shí)刻、每一電路單元都處于有效操作狀態(tài)，同樣可以估算出微觀有效操作的時(shí)域占空比和區(qū)域占空比。(1)有效操作的微觀區(qū)域占空比sdcsdc定義為：有效操作電路單元中，平均有效操作區(qū)域aact與所有電路單元區(qū)域atot之比。例如，熱流量計(jì)在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，對(duì)eeprom舉行存儲(chǔ)操作時(shí)，eeprom的三個(gè)操作區(qū)域，即輸入緩沖電路、轉(zhuǎn)換控制電路和eeprom陣

6、列輪番進(jìn)入有效操作狀態(tài)。設(shè)這三個(gè)區(qū)域有效操作功耗相等，那么，熱流量計(jì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，存儲(chǔ)器eeprom的微觀有效操作區(qū)域占空比為(2)有效操作的微觀時(shí)域占空比tdc系統(tǒng)中，全部處于有效操作的電路，真正的有效操作只表現(xiàn)為"0"、"1"狀態(tài)的變幻操作。因此，電路有效操作的微觀時(shí)域占空比tdc定義為：電路的動(dòng)態(tài)時(shí)光atact與所有時(shí)光attot之比。例如，在熱流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測(cè)量的規(guī)律控制電路要按照溫頻輸出的信號(hào)脈沖，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量控制。這些操作控制都浮現(xiàn)在脈沖的變幻沿。設(shè)溫頻傳感器輸出的信號(hào)脈沖頻率為20 khz，測(cè)控規(guī)律狀態(tài)變幻時(shí)光小于100 ns

7、，可以估算出，在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測(cè)量控制規(guī)律電路有效操作的微觀時(shí)域占空比為1.3 高諧小量時(shí)空占空比與零功耗設(shè)計(jì)1.3.1 實(shí)際系統(tǒng)中高諧小量的時(shí)空占空比在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，cpu高速處理能力與實(shí)際任務(wù)操作狀態(tài)以及系統(tǒng)中的微觀靜、動(dòng)態(tài)的巨大差異，導(dǎo)致大量無(wú)謂等待狀態(tài)，形成有效操作的時(shí)、空占空比現(xiàn)象。上述4類占空比現(xiàn)象，在許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中都會(huì)存在，而且這4類占空比形成乘積效應(yīng)。根據(jù)上述估算，熱流量計(jì)總體有效操作的時(shí)空占空比opdc為從這里揭示了一個(gè)驚人的現(xiàn)狀，即在一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，有效操作只是所有運(yùn)行操作的高諧小量。這一特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)零功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。零功耗系統(tǒng)根據(jù)有效操作時(shí)空占空

8、比采取精細(xì)的功耗管理，非有效操作期間沒(méi)有功耗，從而使系統(tǒng)功耗與本來(lái)相比達(dá)到趨于零的效果。早期提出零功耗概念，并實(shí)現(xiàn)零功耗設(shè)計(jì)的器件有amd公司的flash存儲(chǔ)器am29sl800b。早先am28f800b的功耗量級(jí)為100時(shí)，改進(jìn)工藝并降低后的am29sl800b為20，而實(shí)現(xiàn)零功耗管理的am29sl800b的功耗則小于0.1?？梢?jiàn)零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)在降低系統(tǒng)功耗中的潛力。1.3.2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求在不少實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，雖然有效操作時(shí)空占空比不會(huì)是熱流量計(jì)那樣顯著的高諧小量，但普通都會(huì)有0.1 %的量級(jí)。假如能根據(jù)系統(tǒng)有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細(xì)的功耗管理，使無(wú)效操作期間沒(méi)有功耗，就

9、可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零功耗。零功耗是一個(gè)工程概念。零功耗系統(tǒng)是指該系統(tǒng)中沒(méi)有任何功耗鋪張。因此，零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下：(1)系統(tǒng)中全部的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關(guān)斷(沒(méi)有功耗)。(2)系統(tǒng)具有按有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細(xì)功耗管理的能力，能做到"多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰(shuí)干誰(shuí)吃"的系統(tǒng)功耗分配。(3)對(duì)于系統(tǒng)無(wú)法企及的微觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動(dòng)特性來(lái)滿足功耗分配，即電路動(dòng)態(tài)過(guò)程有功耗，電路靜態(tài)時(shí)沒(méi)有功耗。2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，是按系統(tǒng)中有效操作時(shí)空占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)按需分配的功耗管理

10、。不僅實(shí)現(xiàn)宏觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，還要實(shí)現(xiàn)微觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理。因此，實(shí)現(xiàn)零功耗管理必需有相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)，這就是工藝的電路基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)的智能化控制以及具有功耗管理功能的外圍器件。這些技術(shù)基礎(chǔ)可以滿足零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)基本要求。2.1 cmos工藝的電路基礎(chǔ)數(shù)字電路從ttl工藝轉(zhuǎn)向cmos工藝，對(duì)電路功耗特性產(chǎn)生最大影響的是靜動(dòng)態(tài)(靜態(tài)是"0"、"1"的恒定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)是"0"、"1"的跳變狀態(tài))功耗特性的根本差異。正是這一差異出生了電路系統(tǒng)功耗管理的概念與技術(shù)。圖3是ttl電路和cmo

11、s電路靜動(dòng)態(tài)功耗特性。圖3(a)為ttl功耗特性，圖3(b)為cmos電路功耗特性。ttl電路為注入型電路，靜動(dòng)態(tài)電流相近；而cmos電路為壓控型電路，只在動(dòng)態(tài)下才消耗電流，靜態(tài)電流為泄漏電流，抱負(fù)狀況下靜態(tài)電流為零。按照數(shù)字電路的有效操作態(tài)只表現(xiàn)為電路的動(dòng)態(tài)狀況，那么，惟獨(dú)cmos電路才干提供按有效操作時(shí)空占空比實(shí)施功耗管理，而且指出了cmos電路功耗管理的基本原則就是系統(tǒng)的最大靜態(tài)化設(shè)計(jì)。對(duì)于功耗管理無(wú)法企及的微觀時(shí)空占空比，cmos電路靜、動(dòng)態(tài)特性能自動(dòng)保證非有效操作時(shí)的極微功耗(電路泄漏形成的功耗)狀態(tài)。2.2 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)功耗管理能力嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)功耗管理能力，表現(xiàn)在能保證根據(jù)系

12、統(tǒng)有效操作時(shí)空占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)空的最大靜態(tài)化運(yùn)行。其中核心的技術(shù)是系統(tǒng)中時(shí)鐘與信號(hào)流的控制與調(diào)度。在系統(tǒng)無(wú)效操作的時(shí)光和區(qū)域上，終止時(shí)鐘運(yùn)行或進(jìn)入，禁止開(kāi)關(guān)、脈沖信號(hào)進(jìn)入。2.3 外圍器件功耗管理功能的保證零功耗系統(tǒng)中全部的器件，包括處理器及外圍器件，都必需具備功耗管理功能。目前，cmos的各類微處理器都具備有非常完美的低功耗模式。cmos外圍器件中，有一部分具有自動(dòng)的零功耗管理，不必微處理器的介入；許多cmos外圍器件都具有外部引腳控制或編程控制的功耗管理功能。2.4 的輔助技術(shù)因?yàn)閏mos電路的靜動(dòng)態(tài)功耗特性，cmos電路的功耗管理遵循供電狀態(tài)下的最大靜態(tài)化原則。無(wú)論系統(tǒng)中的主器件還是外

13、圍器件的功耗管理都與命令控制相匹配，不必顧慮功耗轉(zhuǎn)換的過(guò)渡過(guò)程。但當(dāng)系統(tǒng)中不行避開(kāi)地浮現(xiàn)一些非cmos功耗特性電路(如傳感器供電電路)或一些時(shí)，這些電路的功耗管理則須依賴電源供電管理方式。即這些電路退出有效操作時(shí)，關(guān)閉電源；待進(jìn)入有效操作前開(kāi)啟供電線路。因?yàn)殡娐返臅r(shí)光常數(shù)，這些電路電源達(dá)到額定工作值或者進(jìn)而啟動(dòng)時(shí)鐘工作時(shí)，會(huì)有一個(gè)過(guò)渡期，不能即開(kāi)即用，會(huì)給應(yīng)用管理程序設(shè)計(jì)帶來(lái)問(wèn)題。當(dāng)前，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)已走向全面cmos化，嵌入式處理器中提供了由命令管理的多種低功耗模式，外圍器件設(shè)置有許多低功耗控制功能，加上具有可局部關(guān)斷功能的分布式供電體系以及電源開(kāi)關(guān)等，為零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了非?，F(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。

14、3 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本內(nèi)容根據(jù)最大靜態(tài)化設(shè)計(jì)的基本原則，零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)必需有最小量有效操作時(shí)空占空比的任務(wù)規(guī)劃，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的硬件支持電路，并實(shí)現(xiàn)按有效操作時(shí)空占空比的功耗管理軟件支持。因此，零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)貫通了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程。3.1 最小量有效操作時(shí)空占空比的任務(wù)規(guī)劃理論上講，每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都具有高諧小量的有效操作時(shí)空占空比；但若不仔細(xì)將有效操作與無(wú)謂等待精細(xì)區(qū)別，而將有效操作與無(wú)效操作混在一起，就不行能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大靜態(tài)化管理。(1)斷續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)最小時(shí)空占空比的任務(wù)支配對(duì)于可斷續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)，無(wú)論任務(wù)集中還是簇?fù)?，都要努力尋求有效操作最小量的時(shí)空占空比。例如，熱流量計(jì)中確定了采集、處理、

15、存儲(chǔ)、送顯示4個(gè)任務(wù)時(shí)光top后，任務(wù)的循環(huán)周期ttot將打算宏觀時(shí)域占空比的大小，即tdc=top/ttot。ttot受溫度變幻率及測(cè)量精度的限制。在確知熱水溫度變幻率和溫度采集精度要求下，使ttot最大來(lái)獲得最小的有效操作時(shí)域占空比。(2)延續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)的非延續(xù)化將延續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)中的某些延續(xù)運(yùn)行任務(wù)分別出來(lái)，采取非延續(xù)化，這樣可以把延續(xù)系統(tǒng)的主體任務(wù)實(shí)現(xiàn)有效操作的占空比。例如，熱流量計(jì)事實(shí)上是一個(gè)延續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，由于它要不停頓地采集流量傳感器的流量脈沖qp。假如把流量脈沖采納極微功耗，自立的計(jì)數(shù)器不停地計(jì)數(shù)，熱流量計(jì)只在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中順便讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)熱流量計(jì)主體的最小量時(shí)域占空比。

16、(3)系統(tǒng)中各項(xiàng)操作任務(wù)相關(guān)區(qū)域的最小化與自立化為保證系統(tǒng)能獵取最小有效操作的宏觀區(qū)域占空比，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)區(qū)域的功耗管理，必需將每個(gè)操作任務(wù)限定在一個(gè)自立的最小區(qū)域內(nèi)，使不同操作任務(wù)的電路相對(duì)自立。例如，時(shí)鐘、信號(hào)通道可單獨(dú)關(guān)閉；采納電源管理的區(qū)域設(shè)置單獨(dú)的電源總線開(kāi)關(guān)或采納i/o驅(qū)動(dòng)供電等。3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的功耗管理電路設(shè)計(jì)(1)滿足宏觀時(shí)空占空比功耗管理的自立電路設(shè)計(jì)。當(dāng)根據(jù)最大限度宏觀時(shí)空占空比來(lái)管理電路時(shí)，必需將這些電路設(shè)計(jì)成能自立實(shí)現(xiàn)靜態(tài)化或?qū)崟r(shí)關(guān)閉的電路單元和相應(yīng)的管控電路。(2)挑選滿足零功耗管理的外圍器件。挑選能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)零功耗管理的器件或可功耗管理的外圍器件。(3)最小值守

17、電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)微功耗、高牢靠性的開(kāi)機(jī)值守、喚醒值守或運(yùn)行值守電路。(4)用電管理電路設(shè)計(jì)。在許多狀況下，對(duì)于分時(shí)多區(qū)操作的自立電路單元，采納分布式帶關(guān)斷功能的供電電路來(lái)實(shí)現(xiàn)功耗管理是非常有效的。例如，熱流量計(jì)在采集完的輸出后立刻將傳感器電源關(guān)閉。3.3 功耗管理的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)零功耗系統(tǒng)徹低是在cpu的控制下完勝利耗管理的，因此，它是依據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)硬件支持下，通過(guò)功耗管理的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用軟件要遵循系統(tǒng)有效操作的時(shí)空占空比來(lái)準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉或喚醒相應(yīng)的電路單元。(1)、處理器、soc本身的零功耗管理。它包括內(nèi)核的零功耗管理和核外功能單元的零功耗管理。(2) 外圍器件的零功耗管理。它包括外圍

18、器件的功耗管理或電源供電管理。4 零功耗系統(tǒng)與最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)零功耗系統(tǒng)是基于功耗管理的低功耗系統(tǒng)，但惟獨(dú)零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗。由于在實(shí)際系統(tǒng)中，有效操作時(shí)系統(tǒng)的功耗過(guò)大以及非有效操作時(shí)系統(tǒng)的功耗遠(yuǎn)不為零，都會(huì)影響實(shí)際系統(tǒng)的最小功耗水平；而降低系統(tǒng)有效操作和非有效操作時(shí)空中的功耗水平，屬于傳統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。它是按照電路功耗特性參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足低功耗設(shè)計(jì)要求，在無(wú)數(shù)狀況下并沒(méi)有功耗管理的參加。例如，按照cmos電路動(dòng)態(tài)功耗特性，其動(dòng)態(tài)功耗與供電電壓、變換頻率、負(fù)載等參數(shù)有關(guān)。降低系統(tǒng)供電電壓，降低時(shí)鐘頻率，削減硬件電路設(shè)計(jì)制作時(shí)的分布電容等，這樣可以削減有效操作電路中的功耗水平；削減cmos電路的靜態(tài)泄漏電流的措施，則可降低非有效操作時(shí)空電路上