嵌入式系统低功耗设计研究(全文)

11嵌入式系统低功耗设计研究XX:TP274;TP3680引言(EmbeddedSystem)已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。随着手机、以每年30%的速度递增(IDC预测),嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关怀的话题。在嵌入式系统设计中,低功耗设计(LowPower的电源供应,往往是靠电池来供电的;而且大多数嵌入式设备都有体积和质量的约束。另外,系统部件产生的热量和功耗成比例,为采纳电池供电。对于电池供电系统,延长电池寿命,降低用户更换电池的周期,提高系统性能与降低系统开销,甚至能起到保护环境的作用。安全的需要。在现场总线领域,本安问题是┮桓霆重要话FFXX32XX10合适。因此降低系统功耗是实现本安要求的一个重要途径。[JP2](3)解决电磁干扰。系统功耗越低,电磁辐射能量越小,[JP](4成正比即:P=V2fC+P┆sttic,б虼私谀芨为重要。功耗产生的原因[BT3]1.1集成电路的功耗TTL和CMOS4开关功耗。对电路中的电容充放电而形成,其表达式为:高电平或低电平)时,电路的功耗属于静态功耗,其大小等于电路电压与流过电流的乘积;动态功耗是电路翻转时产生的功耗,由于电路翻转时存在跳变沿,在电路翻转瞬间,电流比较大,存在较大CMOS达式为:漏电功耗。由亚阈值电流和反向偏压电流造成。目前大多数电路都采纳CMOS工艺,故漏电功耗很小,可以忽略。1.2电阻的功耗和有源器件的功耗CMOS电路中最大的功耗来自于内部和外部的电容充放电产生的功耗。硬件低功耗设计[BT3]2.1选择低功耗的器件选择低功耗的电子器件可以从根本上降低整个硬件系统的TTLCMOS,CMOS工艺具有很低的功耗,在电路设计上尽量选用,使用CMOS系列电路时,其不用的输入端不要悬空,因为悬空的输入端可能存在感应信号,它将造成高低电平的转换。转换器件的功耗很大,尽量采纳输出为高的原则。嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心,消耗大量的功率,因此设计时选用低功耗的处理器;另外,选择低功耗的通信收发器(对于通信应用系统)、低功耗的访存部件、低功耗的外围电路,目前许多通信收发器都设计成节省功耗方式,这样的器件优先采纳。选用低功耗的电路形式完成同样的功能,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,大规模集成电路甚至单片实现。通常,使用的元器件数量越少,系统的功耗越低。因此,尽量使用集成度高的器件,以减少电路中使用元件的个数,减少整机的功耗。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和单电LM3245~30V。当电源电压15V时,功耗约为220mW;10V5V15分区/分时供电技术一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作,基于此,可采纳分时/分区的供电技术。原理是利用“开关”操纵电源供电单元,在某一部分电路处于休眠状态时,关闭其供电电源,仅保留工作部分的电源。I/O嵌入式处理器的输出引脚在输出高电平时,可以提供约20m外部器件停止工作。需要注意,该电路需满足下列要求:外部器件I/O电源治理单元设计处理器全速工作时,功耗最大;待机状态时,功耗比较小。常见的待机方式有两种:空闲方式(Idle)和掉电方式(ShutDown)。其中,Idle方式可以通过中断的发生退出,中断可以由外部事件供给。掉电方式指的是处理器停止,连中断也不响应,因此需要进入复位才能退出掉电方式。CPUCPU进入运行状态。对于ShutDownCPU。智能电源设计既要保证系统具有良好的性能,又能兼顾功耗问题,一个最好的办法是采纳智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测,,Intel公司采取SpeedStep技术;MD公司采取PowerNow;TrnsmetLongRunStep技术的笔记本电脑为例,系统可以根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调整。如果系统使用外接电源,CPUCPU降低处理器的时钟频率处理器的功耗与时钟频率紧密相关。以SMSUNGS3C2410X(32bRM920T 内核为例它提供了四种工作模式正常模式、空闲模式、休眠模式、关机模式各种模式的功耗如表1所示。[HJ1][HJ]1,CPU在全速运行的时候比在空闲或者休眠的时候休PDCPU尽可能工作在空CPU,I/OI/OR1降低持续工作电流降低电能的消耗。[JP]软件低功耗设计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: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,因而消耗的功率也不同。对于使用高级语言,由于是面向问题设计的,很难操纵低功耗。但是,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来降低系统的功耗。硬件软件化与软件硬件化通常的硬件电路一定消耗功率,基于此,可以减少系统的硬件电路,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、抗干扰电路,测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等。需要考虑,软件处理需要时间,处理器也需要消耗功率,特别是在处理大量数据的时候,需要高性能的处理器,这可能会消耗大要综合计算后进行设计。采纳快速算法FFT节省运算时间,从而减少功耗;在精度同意的情况下,使用简单函数代替复杂函数作近似,也是减少功耗的一种方法。软件设计采纳中断驱动技术整个系统软件设计成处理多个事件,在系统上电初始化时,主程序只进行系统的初始化,包括寄存器、外部设备等,初始化完成后,进入低功耗状态,然后CPU操纵的设备都接到中断输入端上。当外设发生了一个事件,产生中断信号,使CPU退出节电状态,进入事件处理,事件处理完成后,继续进入节电状态。延时程序设