嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計PPT課件

1、低功耗嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例第1頁/共43頁嫦娥二號中的低功耗系統(tǒng)第2頁/共43頁計算機功耗 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 第3頁/共43頁嵌入式系統(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 第4頁/共43頁計算機主板中

2、的散熱器第5頁/共43頁功耗類型 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 第6頁/共43頁CMOS非門電路結(jié)構(gòu) 當(dāng)VIN=0V時，TN截止，TP導(dǎo)通，VOUTVDD，為高電平 當(dāng)VIN=VDD時，TN導(dǎo)通，TP截止，VOUT0V，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 第7頁/共43頁CMOS

3、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% FVCPDDLturn2FVCPDDLturn2FVCPDDLturn2第8頁/共43頁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%

4、 第9頁/共43頁電路功耗的組成 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第10頁/共43頁電路系統(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FVCPDDLturn2第11頁/共43頁系統(tǒng)級硬件功耗控制方法 選擇低

5、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 第12頁/共43頁選擇低功耗器件 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 第13頁/共43頁采用低功耗電路形式 功耗可以達到100W200W左右 第14頁/共43頁采用低功耗電路形式功耗20W左右 第15頁/共43頁采用低功耗電路形式系統(tǒng)功耗可控制在10W以內(nèi) 第16頁/共43頁充分利用器件的低

6、功耗工作模式 從處理器，到各類接口控制、存儲器，很多都有不同的功耗模式 軟件控制S3C44B0X時鐘發(fā)生器是否向各個功能模塊提供時鐘，從而實現(xiàn)功耗的控制 S3C44B0X有5種功耗模式：正常模式、慢速模式、停機模式、IDLE模式、SL IDLE模式第17頁/共43頁選擇低功耗電源電路 嵌入式系統(tǒng)需要直流供電。通常情況下，先由外部直流電源或電池提供初級的直流供電，在電路板上再用DC-DC電源電路將輸入電壓變換為電路需要的各種電壓 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需要重點考慮的因素 直流電源輸入第18頁/共43頁線性穩(wěn)壓

7、電源原理 缺點：效率低、功耗大、常需要散熱 優(yōu)點：穩(wěn)定性高、紋波小、電磁兼容性能好、電路簡單第19頁/共43頁集成線性穩(wěn)壓器第20頁/共43頁DC-DC開關(guān)電源 Boost升壓型電源 Buck降壓型電源第21頁/共43頁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，使電容兩端電壓升高。如果電感量、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 第22頁/共43頁 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

8、濾波電路對方波進行濾波，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 第23頁/共43頁DC-DC開關(guān)電源特點 優(yōu)點：效率可以達到90%左右，不會象線性電源那樣產(chǎn)生大量的熱量 缺點：電磁輻射，輸出紋波較大，電路更復(fù)雜 第24頁/共43頁集成開關(guān)電源控制器第25頁/共43頁嵌入式系統(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，考慮線性電源第26頁/共43頁分區(qū)分時供電 第27頁/共43頁典型手機的組成模塊天線接口耳機/MIC接口LCD、鍵盤等攝像頭射頻處理

9、電路語音基帶處理電路LCD背光驅(qū)動器圖像處理電路中央處理器RAMFlash存儲卡時鐘電路電源與電源管理第28頁/共43頁動態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié) 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)節(jié) (DVS，Dynamic Voltage Scaling) 是一種通過控制供電電壓調(diào)整系統(tǒng)功耗的技術(shù) 動態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)（DVFS，Dynamic Voltage and Frequency Scaling） 第29頁/共43頁動態(tài)電壓調(diào)節(jié)的條件 具有能對處理器負(fù)荷進行評估和預(yù)測的智能軟件或硬件 電源管理模塊支持電壓調(diào)節(jié)，根據(jù)指令調(diào)節(jié)輸出電壓

10、，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)，可以在一定的電壓范圍內(nèi)正常工作 第30頁/共43頁FAN5355可編程穩(wěn)壓器 第31頁/共43頁動態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié) 工作電壓和工作頻率的調(diào)節(jié)相互協(xié)調(diào)、同步進行，是實現(xiàn)處理器功耗動態(tài)管理的有效方法 第32頁/共43頁ARM處理器智能功耗管理IEM（Intelligent Energy Manager)AVS（Adaptive Voltage Scaling） Intel: SpeedStep 第33頁/共43頁其它硬件功耗控制方法 門控時鐘：在寄存器的時鐘網(wǎng)絡(luò)上插入門控電路，產(chǎn)生一個消除寄存器不必要活動的控制信號，減少了電路中

11、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)動電路要避免長時間持續(xù)地消耗電流；等等 限制輸入信號：限制輸入信號，減少數(shù)據(jù)量，有利于控制系統(tǒng)功耗 第34頁/共43頁軟件功耗控制方法 采用低功耗優(yōu)化的編譯技術(shù) 用“中斷”代替“查詢” 用“宏”代替“子程序” 盡量減少處理器的計算量 減少系統(tǒng)的持續(xù)運行時間 實現(xiàn)電源的管理 第35頁/共43頁采用低功耗優(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

12、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)行效率的情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 第36頁/共43頁用“中斷”代替“查詢” 中斷方式，只有事件產(chǎn)生時，才引起中斷，處理器在中斷服務(wù)程序里對事件進行處理 查詢方式，處理器需要周期性主動地檢測是否有事件發(fā)生，在事件發(fā)生時進行相關(guān)處理 中斷方式下，無事件產(chǎn)生時，可以進入低功耗模式；而查詢方式下，處理器必須執(zhí)行相應(yīng)軟件代碼，不停地檢測相關(guān)寄存器狀態(tài)以判斷事件是否發(fā)生，從而帶來不必要的功耗 第37頁/共43頁

13、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)擴展多少次，所以，使用宏定義只是簡化了源程序設(shè)計，不會減少目標(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，同時可以減少系統(tǒng)的功耗 第38頁/共43頁盡量減少處理器的計算量 用查表代替計算 不過分追求計算精度，避免“過度”的計算 盡量使用短數(shù)據(jù)類型，在精度允許的情況下，使用簡單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)，得到近似的計算結(jié)果，降低計算復(fù)雜度 通過減少需要處理的數(shù)據(jù)量，從而減少計算量 第39頁/共43頁減少系統(tǒng)的持續(xù)運行時間 讓任務(wù)的處理盡快完成，并在處理器空閑時，使系統(tǒng)進入低功耗的待機模式，減少系統(tǒng)的持續(xù)運行時間 在需要處理任務(wù)時，再用定時中斷、外部中斷等方式將系統(tǒng)喚醒 第40頁/共43頁實現(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，是一種開放式的工業(yè)規(guī)范