第二章 嵌入式系统设计高级技术

1、第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室1主要内容主要内容n8.1 引言引言n8.2 嵌入式系统可靠性设计嵌入式系统可靠性设计n8.3 嵌入式系统安全性设计嵌入式系统安全性设计n8.4 嵌入式系统低功耗设计嵌入式系统低功耗设计n8.5 嵌入式系统分析与优化嵌入式系统分析与优化第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室28.1 引言引言n嵌入式系统嵌入式系统设计设计是一个复杂的问题是一个复杂的问题计算机软硬件知识计算机软硬件知识

2、电路分析、电子技术、数字逻辑、计算机原理电路分析、电子技术、数字逻辑、计算机原理汇编汇编/C/C+、操作系统、编译原理、软件工程、操作系统、编译原理、软件工程专业领域知识专业领域知识MP3/MP4：MPEG3/MPEG4编编解码算法解码算法手机：信号处理、通信工程手机：信号处理、通信工程嫦娥一号：卫星平台嫦娥一号：卫星平台+探测设备探测设备工程经验积累工程经验积累发现问题、分析问题、解决问题发现问题、分析问题、解决问题注释：注释：MPEGMPEG的全名为的全名为Moving Pictures Experts GroupMoving Pictures Experts Group，中文译名是动态图

3、像专家组。，中文译名是动态图像专家组。MPEGMPEG标准主要标准主要有以下五个，有以下五个，MPEG-1MPEG-1、MPEG-2MPEG-2、MPEG-4MPEG-4、MPEG-7MPEG-7及及MPEG-21MPEG-21等。该专家组建于等。该专家组建于19881988年，专门负责为年，专门负责为CDCD建立视频和音频标准，而成员都是为视频、音频及系统领域的技术专家。及后，他们成功将声音和建立视频和音频标准，而成员都是为视频、音频及系统领域的技术专家。及后，他们成功将声音和影像的记录脱离了传统的模拟方式，建立了影像的记录脱离了传统的模拟方式，建立了ISO/IEC1172ISO/IEC11

4、72压缩编码标准，并制定出压缩编码标准，并制定出MPEG-MPEG-格式，令视格式，令视听传播方面进入了数码化时代。因此，大家现时泛指的听传播方面进入了数码化时代。因此，大家现时泛指的MPEG-XMPEG-X版本，就是由版本，就是由ISO(InternationalISO(International Organization for Standardization)Organization for Standardization)所制定而发布的视频、音频、数据的压缩标准。所制定而发布的视频、音频、数据的压缩标准。) MPEG) MPEG标准的标准的视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压

5、缩编码技术以减小时间冗余度，利用视频压缩编码技术主要利用了具有运动补偿的帧间压缩编码技术以减小时间冗余度，利用DCTDCT技术以技术以减小图象的空间冗余度，利用熵编码则在信息表示方面减小了统计冗余度。这几种技术的综合运用，减小图象的空间冗余度，利用熵编码则在信息表示方面减小了统计冗余度。这几种技术的综合运用，大大增强了压缩性能。大大增强了压缩性能。 第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室38.2 嵌入式系统可靠性设计嵌入式系统可靠性设计n1 概述概述n2 元器件的可靠性元器件的可靠性n3 电磁兼容性设计电磁

6、兼容性设计n4 软件可靠性设计软件可靠性设计n5 系统级的可靠性设计系统级的可靠性设计n6 故障检测技术故障检测技术第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室41 概述概述n嵌入式系统通常被应用到恶劣的工作环境中嵌入式系统通常被应用到恶劣的工作环境中高高/低温、高湿、强烈震动、电磁干扰低温、高湿、强烈震动、电磁干扰是投入实用化的一个必然设计要求是投入实用化的一个必然设计要求n基本思想基本思想构造一个正常的工作环境构造一个正常的工作环境容错、补救措施容错、补救措施n可靠性的定义可靠性的定义产品在产品在规定条件规定

7、条件下和下和规定时间规定时间内，完成内，完成规定功能规定功能的的能能力力第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室51 概述（续）概述（续）n可靠性的性能指标可靠性的性能指标可靠度可靠度是是产品产品在在规定条件规定条件下和下和规定时间规定时间内，完成内，完成规定功能规定功能的的概率概率，一般记为，一般记为R失效率（故障率）失效率（故障率）是工作到某时刻尚未失效的产品，在是工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后该时刻后单位单位时间内时间内发生失效的概率发生失效的概率，一般记为，一般记为平均无故障间隔时间平均无故障

8、间隔时间MTBF平均修复时间平均修复时间MTTR第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室62 元器件的可靠性元器件的可靠性n常用电子元器件的选择常用电子元器件的选择电阻器的选择与使用电阻器的选择与使用电容器的选择与使用电容器的选择与使用电感器的选择与使用电感器的选择与使用半导体分立器件的选择与使用半导体分立器件的选择与使用数字集成电路的选择与使用数字集成电路的选择与使用模拟集成电路的选择与使用模拟集成电路的选择与使用第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大

9、学实时嵌入式系统实验室115室室72 元器件的可靠性（续）元器件的可靠性（续）n系统设计中电子元器件可靠性措施系统设计中电子元器件可靠性措施元器件的选择元器件的选择元器件的老化元器件的老化元器件的筛选元器件的筛选降额使用降额使用容差与漂移设计（鲁棒设计容差与漂移设计（鲁棒设计Robust）人为因素人为因素第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室83 电磁兼容性设计电磁兼容性设计n电磁兼容性电磁兼容性EMCElectroMagnetic Compatibility是指电子产品能在是指电子产品能在规定的电磁环境中

10、正常工作规定的电磁环境中正常工作，并，并不不对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰对该环境中其他产品产生过量的电磁干扰（EMI）抗外界的干扰抗外界的干扰要求产品对外界的电磁干扰具有一要求产品对外界的电磁干扰具有一定的定的承受能力承受能力对外界的干扰对外界的干扰要求产品在正常运行过程中，该产要求产品在正常运行过程中，该产品对周围环境产生的电磁干扰品对周围环境产生的电磁干扰不能超过一定的限度不能超过一定的限度第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室93 电磁兼容性设计（续）电磁兼容性设计（续）n电源电路的抗干扰措施

11、电源电路的抗干扰措施电源中的干扰来源电源中的干扰来源电源中的抗干扰措施电源中的抗干扰措施n设计抗干扰性能好的电路设计抗干扰性能好的电路数字电路部分数字电路部分模拟电路部分模拟电路部分n克服信号传输过程中的干扰克服信号传输过程中的干扰减少串（差）模干扰减少串（差）模干扰减少共模干扰减少共模干扰注释：电压电流的变化通过导线传输时有二种形态注释：电压电流的变化通过导线传输时有二种形态,我们将此称做我们将此称做共模共模和和差模差模.设备的电源线设备的电源线,电话等的通信线电话等的通信线,与其它设备或外与其它设备或外围设备相互交换的通讯线路围设备相互交换的通讯线路,至少有两根导线至少有两根导线,这两根导

12、线作为往返线路输送电力或信号这两根导线作为往返线路输送电力或信号.但在这两根导线之外通常还有第三导但在这两根导线之外通常还有第三导体体,这就是这就是地线地线.干扰电压和电流分为两种干扰电压和电流分为两种:一种是两根导线分别做为往返线路传输一种是两根导线分别做为往返线路传输;另一种是两根导线做去路另一种是两根导线做去路,地线做返回路地线做返回路传输传输.前者叫前者叫差模差模,后者叫后者叫共模共模.。 对差分放大器，两路输入的干扰信号，如果是大小不相等，或方向不相同，即为差模干扰信号。对差分放大器，两路输入的干扰信号，如果是大小不相等，或方向不相同，即为差模干扰信号。 通常我们使用的电器是两线的，

13、一根火线（通常我们使用的电器是两线的，一根火线（L），一根零线（），一根零线（N），零线认为是三相电的中线，同时还有一根接地线叫做地线），零线认为是三相电的中线，同时还有一根接地线叫做地线，零线与火线之间的干扰叫做差模干扰，火线与地线之间的干扰叫做共模干扰。地与零线之间认为是没有电压的，或者可，零线与火线之间的干扰叫做差模干扰，火线与地线之间的干扰叫做共模干扰。地与零线之间认为是没有电压的，或者可以认为是零线没有电压，不能驱动电器，因此认为零线与地线之间没有干扰。以认为是零线没有电压，不能驱动电器，因此认为零线与地线之间没有干扰。 差模干扰就是线与线之间的干扰，如电源相线与中线之间的干扰。对三

14、相电路而言，相线与相线之间的干扰也是差模干扰。差差模干扰就是线与线之间的干扰，如电源相线与中线之间的干扰。对三相电路而言，相线与相线之间的干扰也是差模干扰。差模干扰有时也称为常模干扰、横模干扰、或对称干扰。这是载流体之间的干扰。模干扰有时也称为常模干扰、横模干扰、或对称干扰。这是载流体之间的干扰。 通常，线路上，干扰电压的差模分量和共模分量同时存在，而且由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转化。通常，线路上，干扰电压的差模分量和共模分量同时存在，而且由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转化。 第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验

15、室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室103 电磁兼容性设计（续）电磁兼容性设计（续）n接地接地信号地信号地模拟地、数字地、功率地模拟地、数字地、功率地安全地安全地机壳地机壳地n滤波、去耦及屏蔽滤波、去耦及屏蔽滤波、去耦（滤波、去耦（阻止从一电路交换或反馈能量到另一电路，防止发生阻止从一电路交换或反馈能量到另一电路，防止发生不可预测的反馈，影响下一级放大器或其它电路正常工作不可预测的反馈，影响下一级放大器或其它电路正常工作）、屏蔽）、屏蔽n静电及其防护（静电及其防护（ESD）静电的产生静电的产生静电的危害静电的危害静电的防护静电的防护第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术

16、 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室113 电磁兼容性设计（续）电磁兼容性设计（续）nPCB可靠性可靠性高速信号传输引起严重问题高速信号传输引起严重问题恶劣的工作环境更加重问题恶劣的工作环境更加重问题电源电路中的抗干扰措施电源电路中的抗干扰措施高频信号和器件高频信号和器件布局布线引起的问题布局布线引起的问题热效应热效应信号反射、辐射、串扰信号反射、辐射、串扰第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室124 软件可靠性设计软件可靠性设计n软件的可靠性软件的可靠性软件故障软件故障软件

17、可靠性指标软件可靠性指标软件错误的来源软件错误的来源n软件工程与管理软件工程与管理软件工程的开发模式软件工程的开发模式嵌入式系统的软件开发嵌入式系统的软件开发软件可靠性管理软件可靠性管理第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室134 软件可靠性设计（续）软件可靠性设计（续）n软件的可靠性设计软件的可靠性设计依据软件工程规范要求开发软件依据软件工程规范要求开发软件采用软件滤波方法采用软件滤波方法检错及纠错编码检错及纠错编码软件容错技术软件容错技术n软件可维护性及软件可靠性模型软件可维护性及软件可靠性模型软件可维

18、护性设计软件可维护性设计软件可靠性模型软件可靠性模型第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室145 系统级可靠性设计系统级可靠性设计n系统的可靠性模型系统的可靠性模型串联系统串联系统的可靠性模型的可靠性模型串联系统是组成系统的所有单元中任一单元失效就串联系统是组成系统的所有单元中任一单元失效就会导致整个系统失效的系统会导致整个系统失效的系统并联系统并联系统的可靠性模型的可靠性模型并联系统是组成系统的所有单元都失效时才失效的并联系统是组成系统的所有单元都失效时才失效的系统系统混合系统混合系统的可靠性模型的可靠性

19、模型是由串联和并联混合组成的系统是由串联和并联混合组成的系统第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室155 系统级可靠性设计（续）系统级可靠性设计（续）n系统的可靠性模型系统的可靠性模型冷备份系统冷备份系统的可靠性模型的可靠性模型n个完全相同部件的冷备份系统个完全相同部件的冷备份系统 （待机备份系统），（待机备份系统），转换开关为理想开关，只要一个部件正常，则系统转换开关为理想开关，只要一个部件正常，则系统正常正常表决系统表决系统的可靠性模型的可靠性模型在组成系统的在组成系统的n个单元中，不失效的单元不少于个

20、单元中，不失效的单元不少于k（k介于介于1和和n之间），系统就不会失效的系统，又之间），系统就不会失效的系统，又称为称为k/n系统系统第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室165 系统级可靠性设计（续）系统级可靠性设计（续）n可靠性的预估可靠性的预估由一批有经验人员按该产品复杂程度与已知可靠性的由一批有经验人员按该产品复杂程度与已知可靠性的产品类比评分给定产品类比评分给定n可靠性的分配可靠性的分配原则：技术水平、复杂程度、重要程度、任务情况原则：技术水平、复杂程度、重要程度、任务情况 方法：等分配法方法：等

21、分配法 、再分配法、再分配法、 比例分配法、综合评分比例分配法、综合评分分配法、动态规划分配法分配法、动态规划分配法 n可靠性设计的具体措施可靠性设计的具体措施冗余设计冗余设计抗环境影响设计抗环境影响设计第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室175 系统级可靠性设计（续）系统级可靠性设计（续）n典型双工系统典型双工系统双工系统双工系统冗余技术实现整个系统的可靠性冗余技术实现整个系统的可靠性两个独立子系统两个独立子系统同源输入、独立处理、比较结果同源输入、独立处理、比较结果两个独立子系统同时失效的概率较小两个

22、独立子系统同时失效的概率较小第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室18第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室196 故障检测技术故障检测技术n嵌入式系统的脱机自检嵌入式系统的脱机自检指令系统自检指令系统自检RAM、ROM、外设及接口的自检、外设及接口的自检n嵌入式系统的在线故障检测嵌入式系统的在线故障检测程序监视器、状态反馈程序监视器、状态反馈检错及纠错编码检错及纠错编码超时故障检测超时故障检测直流电机接口的在线检测直流

23、电机接口的在线检测瞬时掉电保护瞬时掉电保护第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术5/29/2022 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院601室室208.3 嵌入式系统安全性设计嵌入式系统安全性设计n1、嵌入式系统面临严重的安全挑战、嵌入式系统面临严重的安全挑战n2、硬件安全、硬件安全n3、软件安全、软件安全n4、安全与可信、安全与可信第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术5/29/2022 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院601室室211、嵌入式系统面临严重的安全挑战、嵌入式系统面临严重的安全挑战n端设备性能逐步强大，减少信息交换，

24、提高效率端设备性能逐步强大，减少信息交换，提高效率n安全、私有信息逐步转移到端设备中安全、私有信息逐步转移到端设备中n端设备不具有可控性，容易遗失、被盗、端设备不具有可控性，容易遗失、被盗、n设计者很难考虑到所有的安全隐患设计者很难考虑到所有的安全隐患n端设备在设计时，应当充分考虑到恶劣的攻击环端设备在设计时，应当充分考虑到恶劣的攻击环境境硬件被攻击硬件被攻击软件被攻击软件被攻击通信被攻击通信被攻击服务器端被攻击服务器端被攻击第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术2、硬件安全、硬件安全n硬件可能被剖析、仿制、破坏硬件可能被剖析、仿制、破坏n潜在的硬件缺陷一旦被发现，很难通过

25、潜在的硬件缺陷一旦被发现，很难通过“打补丁打补丁”方式修正方式修正n硬件攻击更容易实现硬件攻击更容易实现一台数字示波器一台数字示波器一个读卡器一个读卡器n硬件在设计时应尽可能考虑安全问题，有补救措硬件在设计时应尽可能考虑安全问题，有补救措施施n宁可报废，也不泄露宁可报废，也不泄露5/29/2022 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院601室室22第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术5/29/2022 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院601室室23第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术5/29/2022 国防科技大学计算机学院国防科

26、技大学计算机学院601室室24第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术3、软件安全、软件安全n软件由于复杂度问题，难以排除所有漏洞软件由于复杂度问题，难以排除所有漏洞n建立一定的制度，定期发布补丁建立一定的制度，定期发布补丁n使用辅助工具完成漏洞排查使用辅助工具完成漏洞排查n难以修补的底层问题，应借助硬件完成难以修补的底层问题，应借助硬件完成5/29/2022 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院601室室25第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术4、安全与可信、安全与可信n如何建立一个可以信赖的计算环境？如何建立一个可以信赖的计算环境？硬件可以信

27、赖？不被硬件可以信赖？不被Hack？软件可以信赖？软件可以信赖？通信可以信赖？通信可以信赖？服务可以信赖？服务可以信赖？n如何保证信任的传递？如何保证信任的传递？从理论上保证信任可以传递：从硬件从理论上保证信任可以传递：从硬件-软件软件-应用应用-服服务务加密技术、完整性验证加密技术、完整性验证TPC5/29/2022 国防科技大学计算机学院国防科技大学计算机学院601室室26第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室278.4 嵌入式系统低功耗设计嵌入式系统低功耗设计n1 概述概述n2 硬件低功耗设计硬件低功

28、耗设计n3 软件低功耗设计软件低功耗设计第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室281 概述概述n低功耗设计成为低功耗设计成为热点热点电池供电电池供电延长电池的寿命，降低用户更换电池的延长电池的寿命，降低用户更换电池的周期，提高系统性能与降低系统开销周期，提高系统性能与降低系统开销手机、手机、MP3、MP4、数码相机、数码摄像机、数码相机、数码摄像机降低电磁干扰降低电磁干扰系统的功耗越低，电磁辐射的能量系统的功耗越低，电磁辐射的能量越小，对其它设备造成的干扰越小越小，对其它设备造成的干扰越小安全需要安全需要例

29、如工业现场总线设备的例如工业现场总线设备的本安本安（本质安（本质安全）要求，实现本安要求的一个重要途径是降低系统全）要求，实现本安要求的一个重要途径是降低系统的功耗的功耗第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室291 概述（续）概述（续）n低功耗设计构成低功耗设计构成系统设计、硬件设计、软件设计系统设计、硬件设计、软件设计、器件的工艺设计、器件的工艺设计器件的工艺设计器件的工艺设计主要由半导体器件厂家来完成主要由半导体器件厂家来完成嵌入式系统的应用设计人员只需要关心嵌入式系统的应用设计人员只需要关心器件的功耗

30、器件的功耗指标指标嵌入式系统低功耗设计的嵌入式系统低功耗设计的核心核心集中于系统的硬件、软件以及它们之间的配合方面集中于系统的硬件、软件以及它们之间的配合方面第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室301 概述（续）概述（续）n功耗产生的原因功耗产生的原因集成电路的功耗包括集成电路的功耗包括静态功耗和静态功耗和动态功耗动态功耗两部分两部分静态功耗静态功耗电路状态电路状态没有翻转没有翻转时产生的功耗时产生的功耗静态功耗：静态功耗：Ps = V*I动态功耗动态功耗电路状态电路状态发生翻转发生翻转时产生的功耗时产生

31、的功耗动态功耗：动态功耗：Pd=V2*f*CV为工作电压，为工作电压，f为时钟频率，为时钟频率，C为负载电容为负载电容目前大多数电路采用目前大多数电路采用CMOS工艺，工艺，静态功耗很小静态功耗很小，可，可以忽略，以忽略，起主要作用的是动态功耗起主要作用的是动态功耗，因此降低功耗主，因此降低功耗主要从降低动态功耗入手要从降低动态功耗入手 第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室312 硬件低功耗设计硬件低功耗设计n低功耗器件低功耗器件尽量选用尽量选用CMOS系列电路系列电路选用选用低功耗的嵌入式处理器低功耗的

32、嵌入式处理器处理器是嵌入式系统的硬件核心，功耗比较大处理器是嵌入式系统的硬件核心，功耗比较大选择低功耗的外围电路选择低功耗的外围电路未用输入端不要悬空未用输入端不要悬空悬空的输入端可能存在的感应信号造成高低电平的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转换，转换器件的功耗很大尽量采用尽量采用输出为高输出为高的原则的原则输出电流小，输入电流大输出电流小，输入电流大第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室322 硬件低功耗设计（续）硬件低功耗设计（续）n低功耗电路形式低功耗电路形式完成

33、同样的功能，电路的实现形式有多种完成同样的功能，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模集成电路甚至单片实现善于利用善于利用CPLD、FPGA构成数字电路构成数字电路使用的元器件的数量越少，系统的功耗越低使用的元器件的数量越少，系统的功耗越低尽量使用集成度高的器件，减少电路中使用的元件尽量使用集成度高的器件，减少电路中使用的元件的个数，减少整机的功耗的个数，减少整机的功耗第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室332

34、硬件低功耗设计（续）硬件低功耗设计（续）n单电源、低电压供电单电源、低电压供电一些模拟电路如运算放大器等，供电方式有正负电源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和单电源两种双电源供电可以提供对地输出的信号，但电源设计双电源供电可以提供对地输出的信号，但电源设计复杂，功耗大复杂，功耗大高电源电压可以提供大的动态范围，缺点是功耗大高电源电压可以提供大的动态范围，缺点是功耗大例如低功耗运放例如低功耗运放LM324，单电源电压，单电源电压当电源电压为当电源电压为15V时，功耗约为时，功耗约为220mW当电源电压为当电源电压为10V时，功耗约为时，功耗约为90mW当电源电压为当电源

35、电压为5V时，功耗约为时，功耗约为15mW第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室342 硬件低功耗设计（续）硬件低功耗设计（续）n电源管理单元设计电源管理单元设计处理器全速工作时功耗最大，处理器全速工作时功耗最大，待机状态时功耗比较小待机状态时功耗比较小常见的待机方式有两种常见的待机方式有两种空闲方式（空闲方式（idle）CPU停止工作，停止工作，I/O接口电路工作接口电路工作通过通过中断中断的发生退出，中断可以由外部事件供给的发生退出，中断可以由外部事件供给掉电方式（掉电方式（shutdown）CPU、I

36、/O接口电路停止工作接口电路停止工作，中断也不响应，中断也不响应需要进入需要进入复位复位才能退出掉电方式才能退出掉电方式第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室352 硬件低功耗设计（续）硬件低功耗设计（续）n降低或动态改变处理器的时钟频率降低或动态改变处理器的时钟频率处理器的工作频率和功耗的关系很大，处理器的工作频率和功耗的关系很大，频率越高，功频率越高，功耗越高耗越高例如：时钟频率例如：时钟频率32.768kHz、3V工作电压时，工作电压时，PIC12CXXX，PIC16CXX等系列单片机的典型工作等系列

37、单片机的典型工作电流只有电流只有15A在许多低功耗的场合，采用低速晶振实现低功耗非在许多低功耗的场合，采用低速晶振实现低功耗非常有效常有效可以动态改变处理器的时钟以可以动态改变处理器的时钟以降低系统的总功耗降低系统的总功耗CPU空闲时降低时钟频率空闲时降低时钟频率CPU处于工作状态时，提高时钟频率，全速运行处于工作状态时，提高时钟频率，全速运行第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室362 硬件低功耗设计（续）硬件低功耗设计（续）n降低持续工作电流降低持续工作电流在一些系统中，尽量在一些系统中，尽量使系统在状

38、态转换时消耗电流，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在维持工作时期不消耗电流例如例如IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和卡水表、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，开关的开和关状态关闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关状态通过通过机械机构或磁场机制保持开关的状态机械机构或磁场机制保持开关的状态，而不通，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗过电流保持，可以进一步降低电能的消耗第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室373 软件低功耗设计软件低功耗设计 n编译

39、低功耗优化技术编译低功耗优化技术编译技术降低系统功耗是基于这样的事实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目前的软件编译优化方式有多种基于代码长度优化，基于执行时间优化等基于代码长度优化，基于执行时间优化等基于功耗的优化方法目前很少，仍处于研究中基于功耗的优化方法目前很少，仍处于研究中如果利用汇编语言开发系统（如对于小型的嵌入式系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），可以统开发），可以

40、有意识地选择消耗时间短的指令和设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，降低系统的功耗计消耗功率小的算法，降低系统的功耗第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室383 软件低功耗设计（续）软件低功耗设计（续）n硬件软化与软件硬化硬件软化与软件硬化硬件电路一定消耗功率硬件电路一定消耗功率可以可以减少系统的硬件电路减少系统的硬件电路，把数据处理功能用软件，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

41、等电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等软件处理需要时间软件处理需要时间处理器需要消耗功率处理器需要消耗功率，特别是处理大量数据的时候，特别是处理大量数据的时候，需要高性能的处理器，可能会消耗大量的功率需要高性能的处理器，可能会消耗大量的功率系统中某一功能用软件实现还是硬件实现，需要系统中某一功能用软件实现还是硬件实现，需要综综合计算设计合计算设计第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室393 软件低功耗设计（续）软件低功耗设计（续）n减少处理器的工作时间减少处理器的工作时间软件设计降低系统功耗的关键软件

42、设计降低系统功耗的关键尽量减少尽量减少CPU的全速运行时间，使的全速运行时间，使CPU较长地处于较长地处于空闲方式或掉电方式空闲方式或掉电方式事件驱动的程序设计方法事件驱动的程序设计方法在开机时靠中断唤醒在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短时间内完，让它尽量在短时间内完成信息或数据的处理，然后进入空闲或掉电方式成信息或数据的处理，然后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、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外部中断或系统复位将它唤醒第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时

43、嵌入式系统实验室115室室403 软件低功耗设计（续）软件低功耗设计（续）n采用快速算法采用快速算法数字信号处理中的运算，采用如数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，和快速卷积等，可以大量可以大量节省运算时间节省运算时间，从而减少功耗，从而减少功耗在精度允许的情况下，使用在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数简单函数代替复杂函数作作近似，也是减少功耗的一种方法近似，也是减少功耗的一种方法n通信中尽量提高通信速率通信中尽量提高通信速率在多机通信中，尽量在多机通信中，尽量提高传送的波特率提高传送的波特率发送、接收均应采用发送、接收均应采用中断处理方式中断处理方式，而，而不采用查询方

44、不采用查询方式式第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室413 软件低功耗设计（续）软件低功耗设计（续）n数据采集系统中数据采集系统中降低采集速率降低采集速率在测量和控制系统中，数据采集部分的设计需根据实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际情况，不要只顾提高采样率模数转换时功耗较大，模数转换时功耗较大，过高的采样速率会导致功耗过高的采样速率会导致功耗大大为了传输处理大量的冗余数据，也会额外消耗为了传输处理大量的冗余数据，也会额外消耗CPU的时间和功耗的时间和功耗第九章第九

45、章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室423 软件低功耗设计（续）软件低功耗设计（续）n显示器静态显示器静态/动态显示动态显示嵌入式系统的显示方式有两种：静态显示和动态显示嵌入式系统的显示方式有两种：静态显示和动态显示动态显示动态显示电路简单电路简单，需要，需要CPU控制显示的刷新，会消耗一定控制显示的刷新，会消耗一定的功耗的功耗静态显示静态显示电路复杂电路复杂，虽然电路消耗一定的功率，如果采用低，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功耗电路和高亮度显示器可以得到很低的功耗进行系

46、统设计时，采用静态显示还是动态显示，需要进行系统设计时，采用静态显示还是动态显示，需要根据使用的电路进行计算以根据使用的电路进行计算以选择合适的方案选择合适的方案 第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室43本讲小结本讲小结n目的与要求目的与要求掌握可靠性设计的基本概念和基本方法、低功耗设计掌握可靠性设计的基本概念和基本方法、低功耗设计的基本手段与安全型设计的基本思想的基本手段与安全型设计的基本思想熟悉嵌入式系统低功耗设计的其它一些手段熟悉嵌入式系统低功耗设计的其它一些手段n重点与难点重点与难点可靠性设计的基

47、本概念和基本方法可靠性设计的基本概念和基本方法低功耗设计的基本手段低功耗设计的基本手段n阅读章节：第阅读章节：第8.1 8.3 8.4节节n作业：无作业：无第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室448.5 嵌入式系统分析与优化嵌入式系统分析与优化n一、程序执行功耗的分析与优化一、程序执行功耗的分析与优化n二、程序代码大小的分析与优化二、程序代码大小的分析与优化n三、程序执行时间的分析与优化三、程序执行时间的分析与优化n四、四、DRM数字中短波接收机数字中短波接收机第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系

48、统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室45一、程序执行功耗的分析与优化一、程序执行功耗的分析与优化n需要精密的测量仪器、测量方法需要精密的测量仪器、测量方法n通过模拟获知的功耗信息一般具有较大的误差通过模拟获知的功耗信息一般具有较大的误差n功耗还与负载情况有关系功耗还与负载情况有关系第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室46二、程序代码大小的分析与优化二、程序代码大小的分析与优化n使用压缩技术完成对程序代码大小的压缩使用压缩技术完成对程序代码大小的压缩CISC的优

49、势的优势使用复杂指令，功能强的指令使用复杂指令，功能强的指令n密集指令集密集指令集n动态指令压缩技术动态指令压缩技术VLIW的尴尬的尴尬第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室47三、程序执行时间的分析与优化三、程序执行时间的分析与优化n关键语句执行时间的分析与优化关键语句执行时间的分析与优化n函数执行时间的分析与优化函数执行时间的分析与优化n实时性分析实时性分析第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室48四、四、DRM数字

50、中短波接收机数字中短波接收机n1 数字通信技术数字通信技术n2 DRM的意义的意义n3 DRM接收机的结构接收机的结构n4 DRM接收机的分析接收机的分析n5 典型典型DRM接收机接收机第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室491 数字通信技术数字通信技术n调幅广播调幅广播AM560KHz30MHzDRM、HD Radio（美国）（美国）n调频广播调频广播FM87MHZ108MHzDAB（数字音频广播（数字音频广播-欧洲）欧洲）n基带通信基带通信/载波通信载波通信通信：无线局域网、蓝牙、无线通信：无线局域网

51、、蓝牙、无线USB 、ADSL广播：无线广播、有线广播广播：无线广播、有线广播第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室501 数字通信技术（续）数字通信技术（续）n信源编码解码信源编码解码剔除冗余信息剔除冗余信息声音：声音：MP3、AAC、MELP、G.723视频：视频：MPEG、H.264n信道纠错编码信道纠错编码提高通信可靠性提高通信可靠性线性码、卷积码、线性码、卷积码、Turbo码码n信道调制解调信道调制解调调制调制模拟调制、数字调制模拟调制、数字调制QPSK、QAM(正交幅度调制正交幅度调制)、COF

52、DM（FFT）第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室511 数字通信技术（续）数字通信技术（续）n数字基带数字基带基带（基带（Baseband）采样频率低，功耗小，但不灵活，放大器、滤波器设采样频率低，功耗小，但不灵活，放大器、滤波器设计复杂，成本高计复杂，成本高n数字射频数字射频射频（射频（RF-Radio Frequency）采样频率高，功耗大，成本高，采样频率高，功耗大，成本高，A/D分辨率低，带宽要分辨率低，带宽要求高求高n数字中频数字中频中频（中频（IF-Immediate Frequency）采

53、样频率较低，功耗小，成本低，采样频率较低，功耗小，成本低， A/D分辨率高，带分辨率高，带宽要求较高宽要求较高第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室522 DRM的意义的意义nDRM (Digital Radio Mondiale) 是是1998年在广州成年在广州成立的国际性组织立的国际性组织致力于致力于30MHz以下频率开发一个非专利、世界统一的以下频率开发一个非专利、世界统一的数字广播国际标准数字广播国际标准提高提高广播质量，广播质量，增强增强抗干扰能力抗干扰能力达到或接近调频立体声达到或接近调频立体声

54、保持保持中短波的优势中短波的优势距离远、绕射能力强距离远、绕射能力强节省节省发射功率发射功率模拟模拟100千瓦；数字千瓦；数字10千瓦千瓦第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室533 DRM接收机的结构接收机的结构n3.1 总体框图总体框图n3.2 数据流图数据流图n3.3 调谐器调谐器n3.4 信道解调信道解调n3.5 纠错解码纠错解码n3.6 声音解码声音解码n3.7 关键技术关键技术第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室11

55、5室室543.1 总体框图总体框图OFDM: Orthogonal Frequency Division MultiplexingAAC: Advanced Audio Coding 第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室553.2 数据流图数据流图第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室563.3 调谐器调谐器模拟前端模拟前端第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学

56、实时嵌入式系统实验室115室室573.3 调谐器调谐器模拟前端模拟前端第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室583.4 信道解调信道解调第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室593.4 信道解调（计算量分析）信道解调（计算量分析）n输入数据重新采样的计算量输入数据重新采样的计算量卷积：卷积：2个，阶次为个，阶次为Nt=12阶，帧长阶，帧长Nf=1280n频率同步捕获的计算量频率同步捕获的计算量实数实数FFT： 帧长帧长N

57、f=1280，Nl=5280点点52802255 48log5280 log2212806.13MOPSlNslfFKNN482()2(1280 12) 12123. MOPS800sfttfFKNN NN第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室603.4 信道解调（计算量分析）信道解调（计算量分析）n定时同步捕获的计算量定时同步捕获的计算量希尔伯特滤波：希尔伯特滤波：1个，阶次为个，阶次为Nt=81阶，帧长阶，帧长Nf=1280nOFDM解调的计算量解调的计算量复数复数FFT： 帧长帧长Nf=1280，Nl

58、=1024点点102422485log51024 log12801.95MOPSlNslfFKNN48()(128081) 8112804.2MOPSsfttfFKNN NN第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室613.5 纠错解码纠错解码第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室623.6 声音解码声音解码AAC第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实

59、验室115室室633.7 关键技术关键技术OFDMn优点：优点：抗衰落能力强抗衰落能力强 （正交子载波调制）（正交子载波调制）频率利用率高（子载波正交，无保护间隔）频率利用率高（子载波正交，无保护间隔）抗多径干扰能力强（循环前缀）抗多径干扰能力强（循环前缀）利用利用FFT技术进行子载波数字调制（容易实现）技术进行子载波数字调制（容易实现）n缺点：缺点：对频偏和相位噪声比较敏感对频偏和相位噪声比较敏感 （正交性）（正交性）仅仅1的频偏就会使信噪比下降的频偏就会使信噪比下降30dB功率峰值与均值比（功率峰值与均值比（PAPR）大）大 （非线性）（非线性）放大器容易进入非线性工作区放大器容易进入非线

60、性工作区第九章第九章 嵌入式系统设计高级技术嵌入式系统设计高级技术 东北大学实时嵌入式系统实验室东北大学实时嵌入式系统实验室115室室644 DRM接收机的分析接收机的分析n各功能模块的基本单位各功能模块的基本单位符号符号Symbol（码元）（码元）就是一个不可分割的就是一个不可分割的基本传输单元基本传输单元信道解调信道解调以符号（码元）为基本单元进行工作以符号（码元）为基本单元进行工作帧帧FrameDRM数据发送和接收的基本单元为帧数据发送和接收的基本单元为帧，一帧的时间，一帧的时间为为400ms纠错解码和信源解码纠错解码和信源解码就是以帧为单元进行工作就是以帧为单元进行工作一帧由若干符号组