嵌入式系統(tǒng)中的零功耗規(guī)劃

1、嵌入式系統(tǒng)中的零功耗規(guī)劃應(yīng)用系統(tǒng)中，普遍存在功耗鋪張現(xiàn)象。假如將人比作一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，人在行走時，系統(tǒng)處于延續(xù)運行狀態(tài)，眼睛負(fù)責(zé)觀看前方路況。通常在人行走的全過程中，眼睛都處于延續(xù)工作狀態(tài)，然而，在實際行走中，并不要求對前方路況信息延續(xù)捕獲。如果眼睛對前方路況捕獲時光小于 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，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0.5 s即可。當(dāng)行走速度為1 m/s時，行走過程中眼睛的有效工作時光僅為0.5 s/20 s = 2.5 %。

2、由此看來，通常行走時，眼睛的功耗有97.5 %都鋪張了。1 零功耗系統(tǒng)設(shè)計的基本概念1.1 系統(tǒng)中的抱負(fù)功耗一個系統(tǒng)要運行就會有功耗。假如系統(tǒng)運行時沒有任何功耗鋪張，那么它的功耗就是系統(tǒng)的抱負(fù)功耗。在一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，因為普遍存在CPU高速運行功能和有限任務(wù)處理要求的巨大差異，會形成系統(tǒng)在時光與空間上巨大的無效操作。假如在系統(tǒng)運行中，全部時光、空間上的無效操作都沒有功耗，那么系統(tǒng)便處于抱負(fù)功耗運行之下。1.2 應(yīng)用系統(tǒng)中的有效操作時空占空比假如將系統(tǒng)運行中，全部時光、空間上的有效操作和無效操作采納時空占空比來量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)所有運行操作之比。在一個詳細(xì)應(yīng)

3、用系統(tǒng)中，有效操作的時空占空比有：宏觀時域占空比、宏觀區(qū)域占空比、微觀時域占空比和微觀區(qū)域占空比。以下以一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)-熱流量計為例來描述這4個占空比的概念。1.2.1 有效操作的宏觀時域占空比TdcTdc定義為系統(tǒng)運行時域上有效操作時光OPact與所有運行時光OPtot之比。因為嵌入式應(yīng)用中CPU的高速運行與有限任務(wù)操作的差異，經(jīng)常會形成有效操作高諧小量的時域占空比現(xiàn)象。例如，在熱流量計中，要采集、處理的物理參數(shù)有熱水的入口溫度、出口溫度和流量計數(shù)值。因為這些參數(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、送顯示的時光只需2 s，

4、1所示。那么，該系統(tǒng)的有效操作時光OPact為 2 s，所有操作循環(huán)時光OPtot為600 s，系統(tǒng)宏觀有效操作時域占空比為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)運行時，有效操作區(qū)域Sact與系統(tǒng)所有區(qū)域Stot之比。因為系統(tǒng)運行時，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的輪番控制下運行，致使系統(tǒng)的各部分電路輪番進入有效操作狀態(tài)。例如，在熱流量計中，在有效操作時域OPact中，除CPU外，采集、處理、存儲、送顯示的4個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，可以算出該系統(tǒng)宏觀有效操作的區(qū)域占空

5、比為在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，假如故意識地按任務(wù)進程，對系統(tǒng)電路舉行粗略的劃分，形成相對自立任務(wù)運行空間，這樣便可較精確地計算出Sdc值。1.2.3 有效操作的微觀時空占空比在數(shù)字系統(tǒng)中，進入有效操作狀態(tài)的一個完整電路中，也不是每一時刻、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，熱流量計在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，對EEPROM舉行存儲操作時，EEPROM的三個操作區(qū)域，即輸入緩沖電路、轉(zhuǎn)換控制電路和EEPROM陣列輪番進入有效操作狀態(tài)。

6、設(shè)這三個區(qū)域有效操作功耗相等，那么，熱流量計在數(shù)據(jù)存儲時，存儲器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域占空比Tdc定義為：電路的動態(tài)時光ATact與所有時光ATtot之比。例如，在熱流量計的數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測量的規(guī)律控制電路要按照溫頻輸出的信號脈沖，實現(xiàn)頻率測量控制。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脈沖頻率為20 kHz，測控規(guī)律狀態(tài)變幻時光小于100 ns，可以估算出，在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測量控制規(guī)律電路有效操作的微觀時域占

7、空比為1.3 高諧小量時空占空比與零功耗設(shè)計1.3.1 實際系統(tǒng)中高諧小量的時空占空比在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU高速處理能力與實際任務(wù)操作狀態(tài)以及系統(tǒng)中的微觀靜、動態(tài)的巨大差異，導(dǎo)致大量無謂等待狀態(tài)，形成有效操作的時、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，熱流量計總體有效操作的時空占空比OPdc為從這里揭示了一個驚人的現(xiàn)狀，即在一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，有效操作只是所有運行操作的高諧小量。這一特點是嵌入式系統(tǒng)零功耗設(shè)計的基礎(chǔ)。零功耗系統(tǒng)根據(jù)有效操作時空占空比采取精細(xì)的功耗管理，非有效操作期間沒有功耗，從而使系統(tǒng)功耗與本來相比達(dá)

8、到趨于零的效果。早期提出零功耗概念，并實現(xiàn)零功耗設(shè)計的器件有AMD公司的Flash存儲器Am29SL800B。早先Am28F800B的功耗量級為100時，改進工藝并降低后的Am29SL800B為20，而實現(xiàn)零功耗管理的Am29SL800B的功耗則小于0.1?？梢娏愎南到y(tǒng)設(shè)計在降低系統(tǒng)功耗中的潛力。1.3.2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計基本要求在不少實際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，雖然有效操作時空占空比不會是熱流量計那樣顯著的高諧小量，但普通都會有0.1 %的量級。假如能根據(jù)系統(tǒng)有效操作時空占空比實施精細(xì)的功耗管理，使無效操作期間沒有功耗，就可實現(xiàn)系統(tǒng)的零功耗。零功耗是一個工程概念。零功耗系統(tǒng)是指該系統(tǒng)中沒有任何

9、功耗鋪張。因此，零功耗系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下：(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(沒有功耗)。(2)系統(tǒng)具有按有效操作時空占空比實施精細(xì)功耗管理的能力，能做到多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰干誰吃的系統(tǒng)功耗分配。(3)對于系統(tǒng)無法企及的微觀有效操作時空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動特性來滿足功耗分配，即電路動態(tài)過程有功耗，電路靜態(tài)時沒有功耗。2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)零功耗系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)，是按系統(tǒng)中有效操作時空占空比來實現(xiàn)按需分配的功耗管理。不僅實現(xiàn)宏觀有效操作時空占空比的功耗管理，還要實現(xiàn)微觀有效操作時空占空比的功耗管理。因此，實現(xiàn)

10、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)實時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)計的三個基本要求。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，對電路功耗特性產(chǎn)生最大影響的是靜動態(tài)(靜態(tài)是0、1的恒定狀態(tài)，動態(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CMOS電路靜動態(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，靜動態(tài)電流相近；而CMOS電路為壓控型電路，只在動態(tài)下才消耗電流，靜態(tài)電流為泄漏電流

11、，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)為電路的動態(tài)狀況，那么，惟獨CMOS電路才干提供按有效操作時空占空比實施功耗管理，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。對于功耗管理無法企及的微觀時空占空比，CMOS電路靜、動態(tài)特性能自動保證非有效操作時的極微功耗(電路泄漏形成的功耗)狀態(tài)。2.2 嵌入式系統(tǒng)的實時功耗管理能力嵌入式系統(tǒng)實時功耗管理能力，表現(xiàn)在能保證根據(jù)系統(tǒng)有效操作時空占空比來實現(xiàn)系統(tǒng)時空的最大靜態(tài)化運行。其中核心的技術(shù)是系統(tǒng)中時鐘與信號流的控制與調(diào)度。在系統(tǒng)無效操作的時光和區(qū)域上，終止時鐘運行或進入，禁止開關(guān)、脈沖信號進入。2.3 外圍器件功

12、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)因為CMOS電路的靜動態(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。無論系統(tǒng)中的主器件還是外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)換的過渡過程。但當(dāng)系統(tǒng)中不行避開地浮現(xiàn)一些非CMOS功耗特性電路(如傳感器供電電路)或一些時，這些電路的功耗管理則須依賴電源供電管理方式。即這

13、些電路退出有效操作時，關(guān)閉電源；待進入有效操作前開啟供電線路。因為電路的時光常數(shù)，這些電路電源達(dá)到額定工作值或者進而啟動時鐘工作時，會有一個過渡期，不能即開即用，會給應(yīng)用管理程序設(shè)計帶來問題。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關(guān)等，為零功耗系統(tǒng)設(shè)計提供了非?，F(xiàn)實的基礎(chǔ)。3 零功耗系統(tǒng)設(shè)計基本內(nèi)容根據(jù)最大靜態(tài)化設(shè)計的基本原則，零功耗系統(tǒng)設(shè)計必需有最小量有效操作時空占空比的任務(wù)規(guī)劃，設(shè)計出相應(yīng)的硬件支持電路，并實現(xiàn)按有效操作時空占空比的功耗管理軟件支持。因此，零

14、功耗系統(tǒng)設(shè)計貫通了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的全過程。3.1 最小量有效操作時空占空比的任務(wù)規(guī)劃理論上講，每個嵌入式系統(tǒng)都具有高諧小量的有效操作時空占空比；但若不仔細(xì)將有效操作與無謂等待精細(xì)區(qū)別，而將有效操作與無效操作混在一起，就不行能實現(xiàn)系統(tǒng)的最大靜態(tài)化管理。(1)斷續(xù)運行系統(tǒng)最小時空占空比的任務(wù)支配對于可斷續(xù)運行的系統(tǒng)，無論任務(wù)集中還是簇?fù)?，都要努力尋求有效操作最小量的時空占空比。例如，熱流量計中確定了采集、處理、存儲、送顯示4個任務(wù)時光TOP后，任務(wù)的循環(huán)周期Ttot將打算宏觀時域占空比的大小，即Tdc=TOP/Ttot。Ttot受溫度變幻率及測量精度的限制。在確知熱水溫度變幻率和溫度采集精度要求下，

15、使Ttot最大來獲得最小的有效操作時域占空比。(2)延續(xù)運行系統(tǒng)的非延續(xù)化將延續(xù)運行系統(tǒng)中的某些延續(xù)運行任務(wù)分別出來，采取非延續(xù)化，這樣可以把延續(xù)系統(tǒng)的主體任務(wù)實現(xiàn)有效操作的占空比。例如，熱流量計事實上是一個延續(xù)運行系統(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，自立的計數(shù)器不停地計數(shù)，熱流量計只在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中順便讀取計數(shù)器的計數(shù)值即可實現(xiàn)熱流量計主體的最小量時域占空比。(3)系統(tǒng)中各項操作任務(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)此實現(xiàn)區(qū)域的功耗管理，必需將每個操作任務(wù)限定在一個自立的最小區(qū)域內(nèi)，使不同操作任務(wù)的電路相對自

16、立。例如，時鐘、信號通道可單獨關(guān)閉；采納電源管理的區(qū)域設(shè)置單獨的電源總線開關(guān)或采納I/O驅(qū)動供電等。3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計中的功耗管理電路設(shè)計(1)滿足宏觀時空占空比功耗管理的自立電路設(shè)計。當(dāng)根據(jù)最大限度宏觀時空占空比來管理電路時，必需將這些電路設(shè)計成能自立實現(xiàn)靜態(tài)化或?qū)崟r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。挑選能自動實現(xiàn)零功耗管理的器件或可功耗管理的外圍器件。(3)最小值守電路設(shè)計。設(shè)計微功耗、高牢靠性的開機值守、喚醒值守或運行值守電路。(4)用電管理電路設(shè)計。在許多狀況下，對于分時多區(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實現(xiàn)功耗管理是非常有效的

17、。例如，熱流量計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)計要求，在系統(tǒng)硬件支持下，通過功耗管理的應(yīng)用軟件實現(xiàn)的。應(yīng)用軟件要遵循系統(tǒng)有效操作的時空占空比來準(zhǔn)時關(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)計零功耗系統(tǒng)是基于功耗管理的低功耗系統(tǒng)，但惟獨零功耗系統(tǒng)設(shè)計并不能實現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗。由于在實際系統(tǒng)中，有效操作時系統(tǒng)的功耗過大以及非有效操作時系統(tǒng)的功耗遠(yuǎn)不為零，都會影響實際系統(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空中的功耗水平，屬于傳統(tǒng)的低功耗設(shè)計技術(shù)。它是按照電路功耗特性參數(shù)來實現(xiàn)滿足低功耗設(shè)計要求，在無數(shù)狀況下并沒有功耗管理的參加。例如，按照CMOS電路動態(tài)功耗特性，其動態(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，降低時鐘頻率，削減硬件電路設(shè)計制作時的分布電容等，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