0 引 言

　　經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)中最具增長力的一個分支。隨著手機(jī)、PDA，GPS、機(jī)頂盒等新興產(chǎn)品的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的市場正在以每年30%的速度遞增（IDC預(yù)測），嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也成為軟硬件工程師越來越關(guān)心的話題。

　　在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)（Low Power Design）是許多設(shè)計(jì)人員必須面對的問題。其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動性較強(qiáng)的產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往是靠電池來供電的;而且大多數(shù)嵌入式設(shè)備都有體積和質(zhì)量的約束。另外，系統(tǒng)部件產(chǎn)生的熱量和功耗成比例，為解決散熱問題而采取的冷卻措施進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的功耗。為了得到最好的結(jié)果，降低系統(tǒng)的功耗具有下面的優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）電池驅(qū)動的需要。在強(qiáng)調(diào)綠色環(huán)保時期，許多電子產(chǎn)品都采用電池供電。對于電池供電系統(tǒng)，延長電池壽命，降低用戶更換電池的周期，提高系統(tǒng)性能與降低系統(tǒng)開銷，甚至能起到保護(hù)環(huán)境的作用。

　　（2）安全的需要。在現(xiàn)場總線領(lǐng)域，本安問題是一個重要話題。例如FF的本安設(shè)備，理論上每個網(wǎng)段可以容納32個設(shè)備，而實(shí)際應(yīng)用中考慮到目前的功耗水平，每個網(wǎng)段安裝10個比較合適。因此降低系統(tǒng)功耗是實(shí)現(xiàn)本安要求的一個重要途徑。

　　（3）解決電磁干擾。系統(tǒng)功耗越低，電磁輻射能量越小，對其他設(shè)備造成的干擾也越小。如果所有的電子產(chǎn)品都能設(shè)計(jì)成低功耗，那么電磁兼容性設(shè)計(jì)會變得容易。

　　（4）節(jié)能的需要。特別是對電池供電系統(tǒng)，功耗與電壓的平方成正比即：P=V2/fC+Pstatic，因此節(jié)能更為重要。

　　1 功耗產(chǎn)生的原因

　　1.1 集成電路的功耗

　　目前的集成電路工藝主要有TTL和CMOS兩大類，無論哪種工藝。只要電路中有電流通過。就會產(chǎn)生功耗。通常，集成電路的功耗主要有4個：

　　（1）開關(guān)功耗。對電路中的電容充放電而形成，其表達(dá)式為：

　　式中：Vdd為電源電壓;C為被充放電的電容：α為活動因子;f為開關(guān)頻率。

　　（2）靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。當(dāng)電路的狀態(tài)沒有進(jìn)行翻轉(zhuǎn)（保持高電平或低電平）時，電路的功耗屬于靜態(tài)功耗，其大小等于電路電壓與流過電流的乘積;動態(tài)功耗是電路翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗，由于電路翻轉(zhuǎn)時存在跳變沿，在電路翻轉(zhuǎn)瞬間，電流比較大。存在較大的動態(tài)功耗。目前大多數(shù)電路都采用CMOS工藝，靜態(tài)功耗很小，可以忽略。起主要作用的是動態(tài)功耗，因此從降低動態(tài)功耗人手來降低功耗。

　　（3）短路功耗。因開關(guān)時由電源到地形成的通路造成的，其表達(dá)式為：

　　式中：κ由工藝和電壓決定;W為晶體管寬度;τ為輸入信號上升/下降的時間;f為工作頻率。

　　（4）漏電功耗。由亞閾值電流和反向偏壓電流造成。目前大多數(shù)電路都采用CMOS工藝。故漏電功耗很小，可以忽略。

　　1.2 電阻的功耗和有源器件的功耗

　　通常為負(fù)載器件和寄生元件產(chǎn)生的功耗。有源開關(guān)器件在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，電流和電壓比較大，將引起功率消耗。另外，CMOS電路中最大的功耗來自于內(nèi)部和外部的電容充放電產(chǎn)生的功耗。

　　2 硬件低功耗設(shè)計(jì)

　　2.1 選擇低功耗的器件

　　選擇低功耗的電子器件可以從根本上降低整個硬件系統(tǒng)的功耗。目前的半導(dǎo)體工藝主要有TTL工藝和CMOS工藝，CMOS工藝具有很低的功耗，在電路設(shè)計(jì)上盡量選用，使用CMOS系列電路時，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，它將造成高低電平的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器件的功耗很大，盡量采用輸出為高的原則。

　　嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，消耗大量的功率，因此設(shè)計(jì)時選用低功耗的處理器;另外，選擇低功耗的通信收發(fā)器（對于通信應(yīng)用系統(tǒng)）、低功耗的訪存部件、低功耗的外圍電路，目前許多通信收發(fā)器都設(shè)計(jì)成節(jié)省功耗方式，這樣的器件優(yōu)先采用。

　　2.2 選用低功耗的電路形式

　　完成同樣的功能，電路的實(shí)現(xiàn)形式有多種。例如，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，盡量使用集成度高的器件，以減少電路中使用元件的個數(shù)，減少整機(jī)的功耗。

　　2.3 單電源、低電壓供電

　　一些模擬電路如運(yùn)算放大器等。供電方式有正負(fù)電源和單電源兩種。雙電源供電可以提供對地輸出的信號。高電源電壓的優(yōu)點(diǎn)是可以提供大的動態(tài)范圍，缺點(diǎn)是功耗大。例如，低功耗集成運(yùn)算放大器LM324，單電源電壓工作范圍為5～30 V。當(dāng)電源電壓為15 V時，功耗約為220 mw;當(dāng)電源電壓為10 V時，功耗約為90 mw;當(dāng)電源電壓為5 V時，功耗約為15 mw。可見，低電壓供電對降低器件功耗的作用十分明顯。因此，處理小信號的電路可以降低供電電壓。

　　2.4 分區(qū)/分時供電技術(shù)

　　一個嵌入式系統(tǒng)的所有組成部分并非時刻在工作，基于此，可采用分時/分區(qū)的供電技術(shù)。原理是利用“開關(guān)”控制電源供電單元，在某一部分電路處于休眠狀態(tài)時，關(guān)閉其供電電源，僅保留工作部分的電源。

　　2.5 I/O引腳供電

　　嵌入式處理器的輸出引腳在輸出高電平時，可以提供約20 mA的電流，該引腳可以直接作為某些電路的供電電源使用，如圖2所示。處理器的引腳輸出高電平時，外部器件工作;輸出低電平時，外部器件停止工作。需要注意。該電路需滿足下列要求：外部器件的功耗較低，低于處理器I/O引腳的高電平輸出電流;外部器件的供電電壓范圍較寬。

　　2.6 電源管理單元設(shè)計(jì)

　　處理器全速工作時，功耗最大;待機(jī)狀態(tài)時，功耗比較小。常見的待機(jī)方式有兩種：空閑方式（Idle）和掉電方式（Shut Down）。其中，Idle方式可以通過中斷的發(fā)生退出，中斷可以由外部事件供給。掉電方式指的是處理器停止，連中斷也不響應(yīng)，因此需要進(jìn)入復(fù)位才能退出掉電方式。

　　為了降低系統(tǒng)的功耗，一旦CPU處于“空轉(zhuǎn)”，可以使之進(jìn)入Idle狀態(tài)，降低功耗;期間如果發(fā)生了外部事件，可以通過事件產(chǎn)生中斷信號，使CPU進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。對于Shut Down狀態(tài)，只能用復(fù)位信號喚醒CPU。

　　2.7 智能電源設(shè)計(jì)

　　既要保證系統(tǒng)具有良好的性能，又能兼顧功耗問題，一個最好的辦法是采用智能電源。在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)闹悄茴A(yù)測、檢測，根據(jù)需要對系統(tǒng)采取不同的供電方式，以求系統(tǒng)的功耗最低。許多膝上型電腦的電源管理采用智能電源，以筆記本電腦為例，在電源管理方面，Intel公司采取Speed Step技術(shù);AMD公司采取Power Now技術(shù);Transmeta公司采取Long Run技術(shù)。雖然這三種技術(shù)涉及到的具體內(nèi)容不同，但基本原理是一致的。以采用Speed Step技術(shù)的筆記本電腦為例，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的使用環(huán)境對CPU的運(yùn)行速度進(jìn)行合理調(diào)整。如果系統(tǒng)使用外接電源，CPU將按照正常的主頻率及電壓運(yùn)行;當(dāng)檢測到系統(tǒng)為電池供電時，軟件將自動切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態(tài)運(yùn)行。

　　2.8 降低處理器的時鐘頻率

　　處理器的功耗與時鐘頻率密切相關(guān)。以SAM-SUNG S3C2410x（32 b ARM 920T內(nèi)核）為例，它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。各種模式的功耗如表1所示。

　　由表1可見，CPU在全速運(yùn)行的時候比在空閑或者休眠的時候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運(yùn)行模式遠(yuǎn)比空閑、休眠模式少占用時間。在類似PDA 的設(shè)備中，系統(tǒng)在全速運(yùn)行的時候遠(yuǎn)比空閑的時候少，所以可以通過設(shè)置，使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)，然后通過相應(yīng)的中斷喚醒CPU，恢復(fù)到正常工作模式，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，如果處理能力許可，可盡量降低處理器的時鐘頻率。

　　另外，可以動態(tài)改變處理器的時鐘，以降低系統(tǒng)的總功耗。CPU空閑時，降低時鐘頻率;處于工作狀態(tài)時，提高時鐘頻率以全速運(yùn)行處理事務(wù)，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的方法。通過將I/O引腳設(shè)定為輸出高電平，加入電阻R1，將增加時鐘頻率;將I/O引腳輸出低電平，去掉電阻R1，可降低時鐘頻率，以降低功耗。

　　2.9 降低持續(xù)工作電流

　　在一些系統(tǒng)中，盡量使系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時消耗電流，在維持工作時期不消耗電流。例如。IC卡水表、煤氣表、靜態(tài)電能表等，在打開和關(guān)閉開關(guān)時給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)上電，開關(guān)開和關(guān)狀態(tài)通過機(jī)械機(jī)構(gòu)或磁場機(jī)制保持開關(guān)的狀態(tài)，而不通過電流保持，可以進(jìn)一步降低電能的消耗。

　　3 軟件低功耗設(shè)計(jì)

　　3.1 編譯低功耗優(yōu)化技術(shù)

　　編譯技術(shù)降低系統(tǒng)功耗是基于這樣的事實(shí)：對于實(shí)現(xiàn)同樣的功能，不同的軟件算法，消耗的時間不同，使用的指令不同，因而消耗的功率也不同。對于使用高級語言，由于是面向問題設(shè)計(jì)的，很難控制低功耗。但是，如果利用匯編語言開發(fā)系統(tǒng)（如對于小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)），可以有意識地選擇消耗時間短的指令和設(shè)計(jì)消耗功率小的算法來降低系統(tǒng)的功耗。

　　3.2 硬件軟件化與軟件硬件化

　　通常的硬件電路一定消耗功率，基于此，可以減少系統(tǒng)的硬件電路，把數(shù)據(jù)處理功能用軟件實(shí)現(xiàn)，如許多儀表中用到的對數(shù)放大電路、抗干擾電路，測量系統(tǒng)中用軟件濾波代替硬件濾波器等。

　　需要考慮，軟件處理需要時間，處理器也需要消耗功率，特別是在處理大量數(shù)據(jù)的時候，需要高性能的處理器，這可能會消耗大量的功率。因此，系統(tǒng)中某一功能用軟件實(shí)現(xiàn)，還是用硬件實(shí)現(xiàn)，需要綜合計(jì)算后進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　3.3 采用快速算法

　　數(shù)字信號處理中的運(yùn)算，采用如FFT和快速卷積等，可以大量節(jié)省運(yùn)算時間，從而減少功耗;在精度允許的情況下，使用簡單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似，也是減少功耗的一種方法。

　　3.4 軟件設(shè)計(jì)采用中斷驅(qū)動技術(shù)

　　整個系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)成處理多個事件，在系統(tǒng)上電初始化時，主程序只進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括寄存器、外部設(shè)備等，初始化完成后，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，然后CPU控制的設(shè)備都接到中斷輸入端上。當(dāng)外設(shè)發(fā)生了一個事件，產(chǎn)生中斷信號，使CPU退出節(jié)電狀態(tài)，進(jìn)入事件處理，事件處理完成后，繼續(xù)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。

　　3.5 延時程序設(shè)計(jì)

　　延時程序的設(shè)計(jì)有兩種方法：軟件延時和硬件定時器延時。為了降低功耗，盡量使用硬件定時器延時，一方面提高程序的效率，另一方面降低功耗。原因?yàn)椋捍蠖鄶?shù)嵌入式處理器在進(jìn)入待機(jī)模式時，CPU停止工作，定時器可正常工作，定時器的功耗可以很低，所以處理器調(diào)用延時程序時，進(jìn)入待機(jī)方式，定時器開始計(jì)時，時間一到，則喚醒CPU。這樣一方面CPU停止工作，降低了功耗，另一方面提高了CPU的運(yùn)行效率。

　　4 結(jié) 語

　　嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)兩個方面，在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用時，低功耗的設(shè)計(jì)并非是一蹴而就的事情，需要綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài)，需要對各種細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的斟酌和分析，需要對各種可能的方案和方法進(jìn)行計(jì)算和分析，這樣才可能取得較為滿意的效果，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。

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