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嵌入式硬件工程師培訓(xùn)班_嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的低功耗技術(shù),
引言
隨著科學(xué)的發(fā)展和微電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新,嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多, 并已廣泛滲透到各個(gè)領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心, 以電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ), 軟硬件可剪裁, 能適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、穩(wěn)定性、成本、體積、功耗等多方面嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中, 低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)成為許多設(shè)計(jì)人員逐漸關(guān)注的問題, 其原因在于嵌入式系統(tǒng)已被越來越多的應(yīng)用在便攜式和移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品中, 而這些產(chǎn)品往往要靠電池來供電。實(shí)際上, 這些年來, 有關(guān)電池的儲(chǔ)能密度并沒有得到大的進(jìn)步。而對(duì)于便攜設(shè)備, 尤其是手持消費(fèi)品而言, 如果單靠提高電池容量來提高續(xù)航能力, 似乎并不完全切合實(shí)際。因此, 為提高設(shè)備性能, 設(shè)計(jì)人員更需要從每一個(gè)細(xì)節(jié)考慮降低硬件系統(tǒng)本身的能耗。從而盡可能地延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。事實(shí)上, 低功耗設(shè)計(jì)也已經(jīng)成為一個(gè)越來越迫切的問題, 因而應(yīng)該從硬件和軟件兩個(gè)方面來考慮嵌入式系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)。
1 硬件的低功耗設(shè)計(jì)
1.1 硬件電路器件
由于現(xiàn)在絕大部分電路均采用集成電路CMOS工藝技術(shù), 這與以前的TTL工藝相比, 本身就已經(jīng)起到了降低電子元器件和整體系統(tǒng)功耗的作用, 因此, 應(yīng)該繼續(xù)多采用CMOS集成電路工藝技術(shù)。另外, 由于采用CMOS集成工藝技術(shù),其電路靜態(tài)功耗很。ǹ珊雎圆挥(jì)), 而動(dòng)態(tài)功耗較大, 因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗是指電路高低電平翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的功耗, 在電路高低電平翻轉(zhuǎn)跳變沿期間, 電流很大, 存在較大功耗, 所以, 降低硬件電路功耗主要是降低電路動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗公式為:
其中, P代表CMOS芯片的動(dòng)態(tài)功耗, C代表CMOS芯片的負(fù)載電容, V和f分別代表CMOS芯片的工作電壓和工作頻率。由公式可知, COMS硬件集成電路的功耗與工作電壓和工作頻率之間有密切的關(guān)系。因此, 使用CMOS系列電路時(shí), 其不用的輸入端不要懸空, 因?yàn)閼铱盏妮斎攵丝赡艽嬖诟袘?yīng)信號(hào), 并可能造成高低電平的轉(zhuǎn)換。同時(shí), 由于轉(zhuǎn)換器件的功耗很大, 故應(yīng)盡量采用輸出為高的原則。
1.2 低功耗外圍器件的選用
完成同樣的功能, 電路的實(shí)現(xiàn)形式有多種。例如, 盡可能地將嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器RAM轉(zhuǎn)換為外部的閃存FLASH, 因?yàn)樵谕瑯訔l件下,讀內(nèi)部RAM比讀外部FLASH會(huì)帶來更大的功耗。也可以利用分立元件、小規(guī)模集成電路, 大規(guī)模集成電路甚至單片實(shí)現(xiàn)。通常使用的元器件數(shù)量越少, 系統(tǒng)的功耗越低。因此, 應(yīng)盡量使用集成度高的器件, 以減少電路中使用元件的個(gè)數(shù), 減少整機(jī)的功耗。汽車電子嵌入式公司, 嵌入式系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn), 嵌入式相機(jī)模塊, 嵌入式話筒面板, 嵌入式計(jì)價(jià)器, 嵌入式軟件能力評(píng)估, 視力測(cè)試嵌入式系統(tǒng), 嵌入式紅外光譜儀, mk+嵌入式音箱, 嵌入式開發(fā)密碼鎖, 嵌入式最有名的公司, 嵌入式api設(shè)計(jì)書, 嵌入式stm, 嵌入式鎖定管理器, 嵌入式系統(tǒng)環(huán)境變量, 嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì), 消防器材嵌入式, 嵌入式變量選擇方法, 嵌入式定時(shí)器程序, 什么事嵌入式居住, 嵌入式ktv點(diǎn)歌屏, 溫度嵌入式工作原理,
1.3 微處理器的選擇
嵌入式微處理器的功率消耗在嵌入式系統(tǒng)中占有相當(dāng)大的部分, 所以, 選擇合適的處理器,對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的整體功耗具有很大影響。微處理器的功耗主要分為兩部分: 內(nèi)核功耗Pcore和外部接口控制器功耗Pio, 總功耗等于兩者之和, 即P=Pcore+Pio。對(duì)于Pcore, 其關(guān)鍵在于供電電壓和時(shí)鐘頻率的高低; 而對(duì)于Pio, 除了各個(gè)專門I/O控制器的功耗外, 還有地址/數(shù)據(jù)總線寬度, 因?yàn)榭偩寬度越寬, 處理能力越大, 功耗也越大。所以降低功耗, 必需讓總線位數(shù)變窄。
要降低微處理器內(nèi)核的Pcore功耗, 就必須想法降低處理器的工作電壓和時(shí)鐘頻率, 其中降低微處理器的工作電壓是很有效的途徑, 也是未來發(fā)展的趨勢(shì), 目前許多的嵌入式微處理器的工作電壓可降至2 V以下。并且高效率的處理器都提供有多種時(shí)鐘頻率和工作電壓的選擇, 以便于最大限度地節(jié)約功耗。此外, 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),在工作電壓相差不大和系統(tǒng)處理能力許可的情況下, 還應(yīng)盡可能降低微處理器的時(shí)鐘頻率, 現(xiàn)以起到節(jié)能的作用。以SAMSUNG S3C2410 (32 位ARM 920T內(nèi)核) 為例, 它就提供了四種工作模式: 正常模式、空閑模式、休眠模式、關(guān)機(jī)模式。各種模式下的功耗如表1所列。
表1 不同工作模式的時(shí)鐘頻率與功耗對(duì)比表
由表1可知, CPU在全速運(yùn)行的時(shí)候, 比在空閑或者休眠時(shí)消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運(yùn)行模式遠(yuǎn)比空閑、休眠模式少占用時(shí)間。在類似PDA的設(shè)備中, 系統(tǒng)在全速運(yùn)行時(shí)遠(yuǎn)比空閑的時(shí)候少, 所以, 可以通過設(shè)置, 使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài), 使用時(shí)再通過相應(yīng)的中斷喚醒CPU, 以恢復(fù)到正常工作模式來處理響應(yīng)的事件, 然后再進(jìn)入空閑模式。因此, 設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí), 如果處理能力許可, 可盡量降低處理器的時(shí)鐘頻率。
也可以動(dòng)態(tài)改變處理器的時(shí)鐘頻率以降低功耗, 比如可關(guān)閉不需要的外設(shè)控制器, 并在CPU空閑時(shí)降低時(shí)鐘頻率; 而在處于工作狀態(tài)時(shí), 再提高時(shí)鐘頻率以加快運(yùn)行速度。
1.4 多CPU系統(tǒng)
盡管現(xiàn)在已有各種可在不過多加重功耗負(fù)擔(dān)的前提下提高性能的技術(shù), 但用一個(gè)芯片來處理多種任務(wù), 已不是一個(gè)較好的選擇。一是因?yàn)檫@些功能對(duì)芯片處理功能的要求可能各不相同, 二是因?yàn)橐粋(gè)負(fù)擔(dān)著多任務(wù)的芯片需要很高的速度, 這樣, 降低功耗就變得很困難, 這就使得多CPU 系統(tǒng)(MPCore) 成為一個(gè)必然的趨勢(shì)。多CPU 系統(tǒng)的一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)是可針對(duì)不同的任務(wù)處理需要, 用不同的CPU 來各盡其職, 以將自身的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮, 從而給予系統(tǒng)最優(yōu)化的性能表現(xiàn)。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是對(duì)功耗的控制: 假如用單CPU來完成所有的功能, 則不可避免地需要一個(gè)很高的CPU 速度, 從而造成很高的功耗, 浪費(fèi)很多能源。多CPU 系統(tǒng)可以根據(jù)不同的任務(wù)來合理地啟動(dòng)、停止相應(yīng)的CPU 以完成任務(wù), 而在不需要的時(shí)候處于停歇狀態(tài), 從而最大限度地控制功耗。 |
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