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摘要 随着现代电子技术的不断提高，芯片的集成度和速度也不断提 高，同时伴随着移动设备需求的不断增加，电路的功耗己经成为继速 度、面积、可测性之后电路设计者必须考虑的因素。嵌入式系统的应 用也越来越广泛。因此低功耗嵌入式体系结构的研究已经成为嵌入式 设计的一个重要研究方向。 本文在详细分析了c m o s 数字电路的功耗模型的基础上，进一步 探讨了各种低功耗设计的方法。并分硬件和软件两方面综合设计，最 终在a t 8 9 s 5 1 单片机上进行了嵌入式系统低功耗的整体设计。 通过研究和具体的方案实现，证明合理地使用低功耗设计手段对 于降低处理器的功耗是非常有效的，采用这种方式进行嵌入式系统的 低功耗设计可以取得有效的成果。本文的主要贡献有： 硬件设计： 本文提出一种基于l m 2 5 9 6 线性电源的供电电路和由美国d a l l a s 公司推出的一种高性能、低功耗实时时钟芯片设计方案，并给出实际 连接方式。着重从硬件方面以最低功耗达到所需功能。 软件设计： 本文以嵌入式实时操作系统此o s i i 为例，讨论了利用“c o s i i 内核扩展接口将空闲任务接口修改；增加了一个睡眠队列，并利用睡 眠队列进行低功耗调度，说明利用比0 s i i 内核扩展接口实现一个低 功耗系统的可行性。本方法具有一定的创新性。 系统实现及测试 以a t 8 9 s 5 1 单片机作为硬件平台，将此o s i i 移植在其上，并给 出内核修改过程，最后，给出了一个测试方法，得出了测试结果。 本论文的研究工作对于今后进一步研究嵌入式系统低功耗设计 技术具有一定的意义。 关键词：低功耗，嵌入式，供电电路，睡眠队列 a b s t r a c t w i t ht h ed i s t i n c td e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e d c i r c u i t ，t h ed e n s i t ya n ds p e e do fc h i p sh a v eg r o w nr a p i d l y t h e p o r t a b l es y s t e m sh a v em o r ea n dm o r ec u s t o m e r s n o w ，t h e1 0 w p o w e rc o n s u m p t i o nh a sb e c o m et h e4 t hf a c t o rw h i c hi cd e s i g n e r s m u s tt a k ei n t oa c c o u n tw i t hs p e e d a r e aa n dt e s t a b i1i t y t h e e m b e d d e ds y s t e m sa p p li c a ti o nb e c o m em o r ea n dm o r ee x t e n s i v e s ot h er e s e a r c ho fl o wp o w e ra r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m s h a v eb e e na ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c ti o no fp r o c e s s o rd e s i g n i nt h ef u t u r e a n a l y z i n gt h ee n e r g ym o d e lo fd i g i t a lc m o sc i r c u i t ，w e d e s c r i b et h el o wp o w e rd e s i g nm e t h o d sa n dt h e i re f f i c i e n c yi n t h ed i f f e r e n tl e v e la n dt h e1 0 wp o w e rd e s i g nm e t h o d o l o g yw i t h t h es y n t h e s is t e c h n i q u e w ed e s i g n e d t h es y e t e mf r o mt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e f i n a l l y w em a d et h ee m b e d d e d s y s t e m d e s i g no nt h ea t 8 9 s 51 i tis p r o v e n t h a tt h es y s t e mc a nr e d u c ei t s p o w e r e f f i c i e n t l yw i t ht h e s ed e s i g nt e c h n i q u e sa n dt h ew a yi nw h i c h w ed ot h er e s e a r c hi sh o p e f u l t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i s d i s s e r t a t i o na r eg i v e nb e l o w ： h a r d w a r ed e s i g n w ep r e s e n t sad e s i g nc o m p o s e db yap o w e rs u p p l yc i r c u i t w h i c hb a s e do nl m 2 5 9 6d ct od ca n dah i g hp e r f o r m c e ，1 0 wp o w e r r e a l t i m ec h i pw h i c hm a d eb yd a l l a sc o m p a n yf r o mu s a w eg i v e s p r a c t i c a lc o n n e c t i o n sa l s oa n df o e u sf r o mh a r d w a r et oa c h i e v e t h er e q u i r e dm i n i m u mp o w e rf u n c t i o n s o f t w a r ed e s i g n b a s e do i le m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m g c o s - ii e x a m p l e ，w em a d eu s eo fu c 0 s i ic o r ee x p a n s i o ni n t e r f a c et o e d i tt h ef r e et a s ki n t e r f a c e w es e tu pas l e e pq u e u ea n dm a d e 1 0 wp o w e rs c h e d u l i n gb yi t s ot h ed e s i g ni 11 u s t r a t et h eu s eo f “c o s - i ic o r ee x p a n s i o ni n t e r f a c ef o ral o wp o w e rs y s t e mi s f e a s i b l e t h er e a li z a t i o na n dt h et e s to ft h es y s t e m p o t i n gt h ep c o s i io nt h ep l a t f o r mo fa t 8 9 s 5 1 ，w em o d i f y t h ek e r n e lc o d ea n dw ef i n a ll yg e tt h et e s tr e s u l t i nt h isp a p e r ，t h er e s e a r c h w o r kf o rt h ef u t u r ef u r t h e r s t u d yo f1 0 w p o w e re m b e d d e ds y s t e md e s i g nt e c h n o l o g yh a ss o m e s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：io w - p o w e r ，e m b e d d e ds y s t e m ，p o w e r0ir o uit ， sie e pq u e u e 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 砂孑年6 月多日 ，、 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 。研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 - 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 ，不保密囱。 作者签名： 胡庆 导师鲐冯亨， ( 请在以上相应方框内打“v 竹) 日期：厶。辟 日期：易将 6 月了 日 6 月日 嵌入式系统低功耗设计方法研究 1 1 课题背景 1 绪言 嵌入式计算机系统即“看不见的计算机，一般只是运行平台，不 能独立作为开发平台。它们不能被用户编程，有一些专用的i o 设备， 对用户的接口是应用专用的。不严格的说：嵌入式计算机系统是任意包 含可编程计算机的设备，但这种设备不是作为通用计算机而设计的，比 如p c 可以用于搭建嵌入式机系统，但p c 不能称为嵌入式计算机系统。 通常将嵌入式计算机系统简称为嵌入式系统。 嵌入式系统已渗透到日常生活的各个方面，不同的应用其形式和名称各 异，因此目前没有一个统一的定义。除了上述定义外，常用的定义心1 归 纳如下： 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算 机系统。 i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 定义是“d e v i c eu s e dt o c o n t r o l 、m o n i t o ro ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r y o rp l a n t s ”。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个 行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密 集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。伴随着科技的不 断进步、网络的广泛应用和无线通讯技术的发展，嵌入式设备需要更智 能化和更强的计算能力，如：采集、处理和传输音频或视频数据：运行 图形用户界面；支持无线通讯和以太网通讯协议等。以a r m 、p o w e r p c 、 m i p s 等为代表的3 2 位高性能嵌入式处理器，具有良好的可扩展性和丰 富的软件支持，逐渐成为业界发展的主流，其发展势头己经赶上并超越 了p c 处理器。3 2 位的驱动力来自以下几个方面的要求：更复杂的控制 算法、网络通讯以及更成熟的人机界面，与p c 处理器不同的是，高性 能嵌入式处理器除了将计算速度作为性能评价指标外，还将系统集成度 和整体功耗考虑进去。同时两个指标又相互促进，相互制约。如何取得 性能的平衡，使之符合应用的需求，成为嵌入式系统设计的重点之一。 随着对嵌入式系统处理性能要求的进一步提高，嵌入式操作系统口3 开始 引入了嵌入式领域，而且正在得到越来越广泛的应用。这给嵌入式系统 的设计应用带来了更大的复杂性，也带来了更多的研究领域，如：嵌入 硕士学位论文 式操作系统系统的低功耗调度、嵌入式操作系统优化算法，给原来简单 的嵌入式系统带来了挑战，包括更复杂的处理器控制算法，更严格的功 耗管理。 ；： 嵌入式系统正在获得越来越广泛的应用，如手提电脑、手机、个人 数字助理和移动设备等便携式设备，以及工业上的各种控制设备，这使 得它的硬件与软件的设计得到越来越多的关注。嵌入式设备的电源管理 作为保证其性能的一个重要方面，正在成为理论研究的热点。虽然提高 电压可以提高设备效率，但是同时也会产生更多的热能等其它消耗，而 这些多余的消耗又会影响系统的性能。因此，降低系统的功耗是更为实 际的解决方法，低功耗设计也成为嵌入式系统设计中非常重要的环节。 1 2 低功耗概述 1 2 1 能源危机 全世界的能源危机h 1 越来越严重，因此也越来越受到重视计算机在 全世界的广泛普及以及在各个领域的广泛应用，其整体消耗的能量也越 来越大，而且占全球能源消耗的比例还在增加。在1 9 9 2 年，全世界大约 有8 7 m 个c p u ，功耗约为1 6 0m 瓦：而到了2 0 0 1 年，全世界使用的c p u 己经 达n 5 0 0 m 个以上，其功耗大约为9 0 0 0m 瓦，现在还在迅猛增长，而我国 的三峡水利枢纽上程装机容量也就1 1 6 0 m 瓦。另外，高性能服务器对能 量的需求更大，例如，占地2 5 0 0 方英尺的山8 0 0 0 个服务器节点组成的巨 型机可以消耗2 m 瓦以上的电能，功耗相关费用占此设备总费用的2 5 以 上。为了降低功耗，多种多样的低功耗措施纷纷出台，如美国环境保护 署提出的以低功耗为主题的“能源之星”计划，欧共体最近提出的“电 源管理规范”等。节约能源已经成为世界性的不可逆转的潮流，低功耗 设计正是基于这一要求提出来的，充分体现了现代环保低功耗的要求。 1 2 2 低功耗与电磁干扰 随着i c 技术的发展，新技术不断涌现。高性能单片机系统逐步采用 3 2 位字长的r i s c 体系结构，运行频率超过了1 0 0m h z ，8 位单片机也采用 新工艺提高系统速度扩展功能接口。同时，由于电子技术的广泛应用， 电子设备密度升高，电磁环境恶化，系统的电磁干扰旧1 与抗干扰问题日 益突出。嵌入式系统随着低功耗的降低，可以有效的减少电磁干扰。 嵌入式系统低功耗设计方法研究 1 2 3 低功耗与可靠性 嵌入式设备功耗将转化为大量的热能从较小的芯片中释放出来，正 常工作时，芯片上的能量密度通常非常大，这种过于集中的热量将导致 器件的芯片内部工作温度急剧升高。另外，芯片上的热量可能分布不均 而导致局部过热，继而严重降低芯片及电路系统的可靠性，甚至使电路 系统完全失效。过高的功耗还有可能带来其他一系列跟生产上艺相关的 可靠性问题，如单晶硅互联的劳损、电气参数的改变、抗噪性能的下降、 电子迁移等。研究表明，相对于正常工作的条件，温度每提高l o c ，芯 片的失效概率将会提高一倍，整个电路系统的可靠性哺1 将会随之显著下 降，所以对于高可靠性系统，功耗无疑是一项十分重要的设计参数，必 须采取有效的低功耗设计方法加以保证。 1 2 4 电池技术与使用时间 电池技术订1 的发展己经远远落后于来自嵌入式系统计算能力和通讯 功能需求，在这种背景下，功耗己经成为移动设备的关键限制因素。降 低功耗就是有效地减小嵌入式系统的上作电流。当含有嵌入式处理器的 系统上作电流达至l j l a 时，它己经基本不能依赖于电池供电来上作，如果 电流降至1 0 0 衄a , 的数量级，普通电池只能保证系统连续上作数小时，当 电流降至m 级时，系统就可以长期工作，只需偶尔更换电池。因此，我 们需要尽能地提高电能的利用率以节约能量，主要方法是使用低功耗的 器件和采用有效的功耗管理措施来降低功耗，并将低功耗设计方法扩展 到移动设备的各个组成部件。降低系统功耗后，往往可以提高产品的寿 命与使用时间。这对于一些特殊环境如野外、井下、空中和无人值守检 测等领域具有重要意义。 1 3 功耗的来源 低功耗设计应该贯穿在设计的每一步中。那么首先要知道功耗源于 何处，才能有针对性地改善功耗。c m o s 电路中有两种主要的功耗来源： 静态功耗和动态功耗。 1 3 1 动态功耗 动态功耗包括短路电流引起的功耗( 称为直流开关功耗或短路功 硕士学位论文 耗，发生在跃变过程中双管同时导通引起的瞬态电流而形成的功耗) 和 负载电容的功耗( 称为交流开关功耗，由对负载电容充放电电流引起的 功耗) 。 1 3 2 静态功耗 静态功耗主要是由漏电流引起的功耗。从理论上讲，c m o s 电路在稳 定状态下没有从电源到地的直接路径，所以没有静态功耗。然而，在实 际情况下，扩散区和衬底之间的p n 结上总存在反向漏电流，该漏电流与 扩散结浓度和面积有关，从而造成一定的静态功耗。 1 4 低功耗的主要设计方法 低功耗设计是一个系统的问题，必须在设计的各个层次上发展适当 的技术，综合应用不同的设计策略，达到在降低功耗的同时维持系统性 能的目的。既要提高产品的性能，又要尽量降低其功耗，通常是一对矛 盾。因为系统的技术指标往往与系统的功耗关系极大，有些指标，如速 度、精度、负载能力等一般就是用牺牲功耗的方法获得的。因此，拟定 系统方案时应根据实际需要合理地确定产品的技术指标，以达到性能合 理的情况下降低功耗的目的。 1 4 1 硬件的低功耗设计 实现相同的硬件功能，可以有多种设计方案，不同方案的功耗不同。 所以在硬件设计中，有必要应用低功耗设计方法，降低系统的功耗，常 用的低功耗设计方法有以下几种。 1 4 1 1 集成电路的功耗分析 c m o s 逻辑电路有许多优点，成为了现在最通用的大规模集成电路 技术。c m o s 电路具有以下优点：集成度高，功耗低，输入电流小，连接 方便和具有比例性。目前，在嵌入式硬件设计中，无论是微处理器，还 是外围电路中，都在使用c m o s 逻辑电路。 1 4 1 2 处理器的选择 4 嵌入式系统低功耗设计方法研究 一个嵌入式系统的设计往往是从c p u 的选择开始的，我们在选择一 个c p u 的时候，一般更注意其性能及所提供功能的多少，往往忽视其功 耗特性。在8 位单片机刚投入使用时，由于功能比较简单，功耗问题没 有凸显出来。但是随着嵌入式应用的发展越来越快，功能越来越强， 功耗问题日益严重。而c p u 作为嵌入式系统功率消耗的主要来源，所以 选择合适的c p u 对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。 1 4 1 3 接口电路 接口电路的低功耗设计，在这个环节里，我们除了考虑选用静态 电流较低的外围芯片外，还应该考虑以下几个因素：上拉电阻下拉电 阻的选取、对悬空脚的处理、b u f f e r 的必要性。 1 4 1 4 电源供给电路 在早期的设计中，工程师往往习惯于采用最简单的方式来完成电 源的设计，但在对功耗要求严格的情况下，我们就必须对采用何种电 压变换结构仔细考虑一番再做决定。 1 4 2 软件的低功耗设计 实现低功耗设计的另一个重要方面是软件低功耗设计。谈到低功耗 技术，大多人都会认为这是微电子和体系结构等硬件工作的事情。事实 上，在微处理器及计算机系统中有相当大的一部分低功耗技术研究空间 是硬件无法涉足的，只有通过软件技术才能得到解决。软件的低功耗设 计通常是在编译器、操作系统和应用程序三个层次上实现对功耗的优化 设计。 1 4 2 1 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软、硬件资源的分配、调度 工作，控制并协调并发活动。嵌入式操作系统中的低功耗设计目前集中 在可变电压技术和动态功耗管理的实现。另一方面，面向低功耗的任务 调度器也是研究的热点，它通过对任务的执行顺序和时间进行优化，实 现对处理器或外设的集中使用，减小系统的无效功耗时间。 硕士学位论文 1 4 2 2 编译优化 对程序进行编译优化是降低功耗的另一个有效途径。编译器的作用 是将由高级语言编写的程序，如c c + + 等，翻译成能够在目标机上执行 的程序。换句话说，编译器为高级语言程序员提供了一个抽象层，使得 程序员能够通过编写与实际问题相近的高级语言代码( 而不用汇编或者 机器语言) ，方便地解决实际问题；同时，也使得程序的可读性和可维 护性得到保证，提高软件开发的效率。另外，将程序移植到新的目标机， 也只要用相应的编译器对程序进行重新编译，而不必重新编写程序。 但是某些情况下，这样的做法是以牺牲程序的执行性能为代价的。编译 器的有效性以及它所生成的代码效率，可以与专家级的汇编机器语言 程序员所编写的代码相比较得出，因此可以通过对编译器的优化，生成 效率更高的代码。通过优化编译器可以有效地降低嵌入式设备的功耗。 在一个程序中，每一条指令都将激活微处理器中的某些硬件部件，因此， 正确选择指令可降低处理器的功耗。通过建立特定处理器架构下指令集 的功耗信息，利用“减少跳转的指令重排序”等方法，可以进行有效的 软件低功率优化。在编译时对功率和能量的优化技术是对硬件和操作系 统低功耗优化的有效补充，编译器具有能够分析整个应用程序行为的能 力，它可以对应用程序的整体结构按照给定的优化目标进行重新构造。 利用编译器对应用程序进行优化和变换，对降低系统能量消耗有重要的 作用。仅通过对应用程序的指令功能均衡优化和降低执行频率就有可能 比优化前节省5 0 的能量消耗。当然，降低功耗是比改善性能的优化更 为复杂的问题。 1 4 2 3 低功耗调度器 在系统中，处理器是最重要的系统资源，在功耗上，也是占了很大 的比例。所以在整个操作系统中，处理器的管理占有重要的地位，这集 中表现在处理器的调度算法上。如何设计一个调度算法，既能够使处理 器在规定时间内完成系统任务，又能够使得其功耗最低，就成为了低功 耗处理器调度算法的核心任务之一。在处理器的调度算法设计上，需要 充分利用处理器本身的特性。对于目前的嵌入式处理器，在功耗管理上， 大多提供不同的工作模式，这些模式有不同的时钟频率。频率越低，处 理器的功耗越小，同时处理器的处理能力也越弱。所以在电源管理标准 中，如果处理器空闲，让处理器处于低功耗模式；如果系统长时间不工 作，则让处理器进入休眠模式，这种调度方法能够降低功耗。但是，如 嵌入式系统低功耗设计方法研究 果应用d v s 方法，可以达到更好的节能效果。根据大量的试验研究，处 理器的功耗与处理器的电压成二次曲线关系，处理器的电压和处理器的 速度成线性关系。也有的报道说处理器的功耗与处理器的电压是三次曲 线关系，但是在调度算法论文的计算中，大多假设是二次曲线关系。所 以如果处理器以某一个恒定不变的速度去完成任务集，将比处理器以一 个高速度完成任务集，然后再空闲的方法更节约能源。如果可以预测未 来处理器的任务负荷情况，在任务集开始执行前，可以计算出处理器在 规定时间内完成任务的最小恒定速度，如果按照此速度来执行任务集， 则处理器的功耗最低。但是在很多情况下，系统不能预知未来系统的任 务负荷，这时这种方法不能够再采用。一般说来，处理器在某一段时间 内的负荷是相对稳定的，可以统计前一段时间内系统的负荷，用它来作 为未来一段时间处理器荷载的预测，这不会和实际情况完全相符，但是 也可以达到很好的效果，在算法研究和实际中，也被大量采用。 1 4 2 4 应用程序低功耗 此外，软件的低功耗设计也离不开应用程序的配合，如果应用程序 本身能够提供它运行所需要的一些参数，如对运行时间和空间的需求， 则可以帮助操作系统更合理地设置系统的工作状态。在某些嵌入式系统 中，任务到达时间和任务执行时间是实现系统低功耗设计的重要参数。 任务执行是否具有周期性也是软件低功耗设计中的重要参考量。 1 5 低功耗设计的现状 1 5 1 硬件研究现状 目前，在硬件设计方面，已经有比较成熟的低功耗技术，并且已经 获得了广泛的应用。无论是嵌入式硬件核心的处理器，还是外围的设备， 都已经把这些成熟的技术应用到了生产。 1 5 1 1 嵌入式处理器 在嵌入式处理器口3 的设计中，d v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 技 术哺1 正在被广泛的采用。c m o s 工艺由于有巨大的优点被使用在d v s 的设 计中，c m o s 工艺与其它工艺技术相比，具有工艺成熟、生产方便、兼 硕士学位论文 容性好、功耗低和便于大规模集成等优点。c m o s 电路的功耗由动态功 耗，短路功耗和静态功耗构成。静态功耗和短路功耗占的比例小，动态 功耗是主要的。因此减小动态功耗的d v s 技术便诞生了。应用d v s 的嵌 入式处理器，支持动态功耗管理，有多种可以切换的运行模式。例如 a r m 9 ，运行模式包括：工作模式，在该模式下，c p u 处于上电状态，系 统满负荷运行，功耗也最大，系统的大部分操作在该模式下完成；空闲 模式：该模式下，处理器内核停止运行，但处理内部各外设控制器仍然 正常工作。休眠模式：功耗最低的模式，c p u 和所有的外设都处于断电 模式，但继续供电给重要的内部电路，如实时时钟。另外，d v s ( d y n a m i c v o l t a g es c a l i n g ) 系统中，除了处理器支持d v s 技术，系统的电压、 c p u 频率和总线频率也都需要是可以动态改变的。虽然有许多种电压可 以选择，但是核心电压限制了最大的工作频率，c p u 频率和总线频率间 也有一定的倍数关系，所以工作参数之间有依赖性。在由这些工作参数 构成的选取空间中，只有一部分组合是可实现的。一个可实现的工作参 数组合被称为工作点。总线频率越低，功耗越低，但是会降低总线的响 应时间。 1 5 1 2 外围设备 在外围设备上，现在已经有设备商提供的设备具有低功耗能力。例 女h 2 0 0 4 年5 月，联网设备产品供应商d i g ii n t e r n a t i o n a l 公司，在其 u s bp l u s 系列电源解决方案中增加电源管理u 训能力。这样，终端用户 不仅可以对单独的u s b 电源端口进行监视，而且还可以控制电源的开 关状态。通过d i g ii n t e r n a t i o n a l 提供的电源管理工具或应用程序接 口( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) ，可以轻松地操作和 使用电源管理功能。a p i 应用程序接口允许用户将电源管理功能集成 到自己的应用当中去，这样用户可以根据自己的需要随时启动和关闭电 源，做到节约能源。思科智能电源管理是c i s c oc a t a l y s t 交换机所提 供的一组功能，实现了供电逐步优化和控制。智能电源管理允许用户更 好地管理电量的使用，包括预先定义每个端口的电量分配，如果发现未 用电端口，重新配电，以及为防止交换机电量耗尽而提供的供电优先级 划分。智能电源管理还允许l a n 交换机在为每台兼容连接设备识别和预 留电量方面拥有更精确的控制能力。智能电源管理构建于i e e e 电量分 类特性的基础上，可确定兼容终端设备的实际用电需求，而非仅仅采用 电量级别。因此，可为l a n 交换机更精确地预留电量，允许连接更多设 嵌入式系统低功耗设计方法研究 备，极大地降低了必要用电量以外的功耗需求。 1 5 2 软件的研究现状 在软件方面，研究的起步比较迟，电源管理技术是其中的重要内容。 目前的电源管理主要有两种标准，即高级电源管理a p m ( a d v a n c e dp o w e r m a n a g e m e n t ) 和高级配置电源接口a c p i ( a d v a n c e dc o n f i g u r a t i o na n d p o w e ri n t e r f a c e ) u 。虽然w i n d o w s9 8 s e m e 2 0 0 0 x p 和l i n u x 都支 持两种形式的电源管理，但由于a p m 是较老的电源管理标准，自身存在 较大缺陷，不便于操作系统的管理，因此现在大都采用a c p i 标准。 a c p i 的第一版在1 9 9 6 年1 2 月份制定完成，它由i n t e l 、微软和东芝制 定，在2 0 0 0 年出了2 o 版，2 0 0 2 年1 2 月出了2 0 b 版。9 0 年代中期 开始d v s 技术( 动态电压缩放技术) 研究，但由于现有处理器都只能提 供几个状态模式，比如工作、休眠和空闲模式，而d v s 的调度研究都是 假定处理器的速度可以连续变化，因此目前的硬件不能为d v s 提供很好 的支持，尚无商业化使用的d v s 系统，仅有仿真系统。这些仿真系统都 是低功耗算法的作者，为了测试算法而做的试验系统。所以，d v s 是一 个新的充满挑战的研究领域。 摹 国外很多大学和公司都开展了数字电路的低功耗研究，其中厂商开 展的研究和其本身的产品方向有着密切关系，拥有生产线的厂商主要集 中在生产工艺方面，比如l s i ：e d a 供应商则集中在低功耗软件的研究， 比如s y n o p s y s 和m e n t o r 等：而设计公司则集中在各个层次的设计技术方 面，比如一些处理器公司都开展了丰富的低功耗处理器模型研究，比如 a r m 、i b m 和n e c 等。 国内也有很多研究机构在低功耗研究上取得了相当的成就。中科院 计算所、清华大学、宁波大学等都有专门的低功耗研究组，在国内外各 级刊物上发表了众多的学术论文。然而，由于国内嵌入式系统低功耗设 计起步较晚，目前国内嵌入式系统低功耗设计的水平还不太高，而且大 多停留在追求局部、片面的低功耗设计的层次上，真正整体全面的嵌入 式系统低功耗设计理论还没有得到完全的推广与应用。 1 6 研究内容 如前所述，本课题的研究主要解决嵌入式系统设计中的功耗问题， 在尽量不影响系统性能的情况下实现嵌入式设备的低功耗方法，同时也 硕士学位论文 提供一种嵌入式设备低功耗的通用思路和方法。课题的研究分为硬件低 功耗设计和软件低功耗设计两个方面。 本文对嵌入式系统的低功耗技术进行了深入的研究，论文的研究内 容包括： 1 ) 基本概念的学习：通过阅读大量相关书籍和文献，深入理解目前 低功耗的相关概念，主要优点，低功耗设计的软硬件基本技术及方法， 目前流行的低功耗设计方法。 2 ) 硬件低功耗技术方面： ( 1 ) 动态功耗研究： 动态功耗是在电路完成正常功能时，参数化电容在充放电时所消耗 的，它是集成电路功耗分重要的组成部分。在集成电路低功耗设计中， 动态功耗研究是硬件低功耗的基础。 ( 2 ) 处理器选型： 现在单片机的运行速度越来越快，但性能的提升往往带来功耗的增 加。一个复杂的c p u 集成度高、功能强，但片内晶体管多，总漏电流大， 功耗问题也变得不可忽视；而简单的c p u 内核不仅功耗低，成本也低。 ( 3 ) 电源供给电路 在早期的设计中，往往习惯采用最简单的方式来完成电源的设计， 但在对功耗要求严格的情况下就必须对采用何种电压变换结构仔细考 虑一番再做决定。 3 ) 软件低功耗技术方面： 本文以嵌入式实时操作系统此o s i i 为例，以a t 8 9 s 5 1 单片机作为硬 件平台，讨论了利用此o s i i 内核扩展接口将空闲任务接口修改；增加 了一个睡眠队列，并利用睡眠队列进行低功耗调度，说明利用此0 s i i 内核扩展接口实现一个低功耗系统的可行性。 1 7 论文组织 第一章概述嵌入式系统的概念和特点，引出了嵌入式系统低功耗设 计的现实意义。并且概述低功耗设计的主要方法，低功耗设计的研究现 状。该章最后说明了论文课题来源和主要研究内容。 第二章综述了嵌入式硬件的低功耗技术，分析集成电路的功耗，减 小功耗的方法，给出了目前嵌入式处理器的主要低功耗设计方法。 第三章综述了嵌入式软件的低功耗技术，通过介绍嵌入式操作系统 分析了影响系统功耗的软件因素，包括操作系统，编译技术。 嵌入式系统低功耗设计方法研究 第四章低功耗嵌入式系统的设计与实现，给出了一个低功耗嵌入式 系统的软硬件架构。通过修改移植在a t 8 9 s 5 1 单片机_ h 肌c o s i i 内核， 增加一个睡眠队列，并利用睡眠队列进行低功耗调度，说明利用u e o s i i 内核扩展接口实现一个低功耗系统的可行性。 硕士学位论文 2 嵌入式硬件的低功耗技术 本章主要介绍嵌入式系统的硬件低功耗技术。硬件是软件运行的物 质基础，必须首先有低功耗硬件的支持，才可以在其上构建低功耗软件 系统，所有的软件低功耗方法的实现也必须依赖硬件提供的支持。处理 器和外围电路都是硬件系统不可或缺的，各自在系统功耗上占有相当比 例，所以两者都是低功耗设计必须考虑的。现在硬件的低功耗设计已经 有了许多成熟的技术。 2 1 集成电路的功耗分析 集成电路的功耗u2 l 一般分为动态功耗和静态功耗两大部分。动态功 耗是在电路的工作状态发生变化时产生的，它主要包括三个部分：由于 逻辑跳变引起的电容功耗、由于通路延时引起的竞争冒险功耗、由于电 路瞬间导通引起的短路功耗，动态功耗曾经是电路总功耗的主要部分。 而当电路上艺进入深亚微米或者更深的纳米阶段后，漏电流带来的静态 功耗占有了很重要的部分，并且其增长速度也比动态功耗快得多。 2 1 1 动态功耗理论 动态功耗的三种理论模型： 短路功耗模型n 3 1 当集成电路从一种稳定上作状态突然转变到另一种稳定状态的过 程中，将产生我们称之为p 。的动态功耗。动态功耗由两部分组成，一部 分是上面分析过的充、放电功耗p 。，另一部分是因t 1 与t 2 管在短期导 通所产生的瞬间导通功耗p ，即p 。= p o + p 。下面本文简单介绍瞬间导通 功耗p ，产生过程。 如果取p ，：既如，而且，那么当 从低电平过渡到高电平和从 高电平过渡到低电平的过程中，都将出现短时间的 、v 一 i 聆i 的 状态。因此，t l 与t 2 管同时导通，有瞬时电流i 。流过。i ，的波形如图 2 - 1 所示。它的平均值为： 厶r = ；瞪i 砌+ r 重，础 公式c 2 一- ， 由此求出瞬间导通功耗： 嵌入式系统低功耗设计方法研究 p r = 既以，公式( 2 - 2 ) 图2 - ic o m 反相器的瞬间导通电流 从图2 - 1 的波形图还可以看到，厶，与输入信号的频率有关，频率越 高厶，越大。因此，越高、输入信号频率越高，瞬间导通功耗尸，也就 越大。此外，输入信号的上升时间与下降时间、m o s 管的上电电压等也 对p ，有一定影响。 由于c m o s 反相器在工作状态稳定时，总有漏电流存在，所以除了 动态功耗p 4 外，c m o s 反相器功耗还包括静态功耗即c m o s 反相器功耗 p = p o + p n = p c + p t + p do 下面简单介绍静态功耗p d 产生过程。 在静态下，因为t 1 与t 2 管总有一个是截止的，而且截止时的漏电 流又极微小，所以这个电流产生的功耗可以忽略不计。现有研究文献在 研究低功耗电路的漏电流时，总会给出图2 - 2 ，由于实际的c m o s 电路中 存在着输入保护二极管和寄生二极管的反向漏电流，而且它们的数值要 比t 1 或t 2 管的漏电流大，因而它们构成了静态电流的主要成分。对于 阈值电压较低的低功耗电路，漏电流产生的静态功耗p 。会对c m o s 电路 功耗p 产生较大影响，现有研究文献一般都用双阈值电压法来降低静态 功耗p 。图2 2 中用虚线标出了这些漏电流的流通路径，这就是后文的 亚阈值漏电流，具体将在后文进行详细阐述。 硕士学位论文 仇y 在以上三种电路功耗中，c m o s 电路充、放电功耗是主要的。c m o s 电路的动态功耗主要是由于参数化的负载电容充放电造成的，它和具体 逻辑单元的负载电容c l 及供电电压v d d 的平方成正比，它是动态功耗 的主要来源。 只：c l = = v o - 0 2 公式( 2 3 ) 2 丁 冒险功耗模型n 3 1 在实际的电路中，器件以及传输线都存在延时，这就可能导致器件 由于输入变化时刻的不同，输出产生无法控制的、无用的( 甚至有害) 的 跳变。这类跳变统称位竞争冒险( g 1 i t c h ) 。 广1j 小j r l l 一 彳匹鲨珏 叫删j 1 0 # 扯 4 一 妣嗄呻ir _ 1 。 j 亡= 拄嚣 图2 - 3 竞争冒险产生原理 如图2 - 3 左图所示一非门和与门组成的电路，输出y 的逻辑表达式 为：y ：a 彳：0 ，即输出与输入无关，恒为低电平。但这存在于理想状态 下。如果考虑非门的延时，则与门的两个输入信号变化到达的时间就存 在差异，从而导致右图中所示的窄脉冲的出现。 可以说竞争冒险现象就是由于电路的延时造成的，没有延时的话也 将没有竞争冒险。竞争冒险的产生不仅可能导致电路正常功能失效，同 时无用的跳转也将增大电路的功耗。如果毛刺的宽度达到一定程度，还 将传递给后级，影响后级电路的状态。对于较长的逻辑路径，由于本身 路径长容易产生传输差异，加之级数较大易受前级毛刺影响，因此产生 嵌入式系统低功耗设计方法研究 竞争冒险的机会更大。 实际电路中，竞争冒险的产生很难预言，国外专家分析了大量实例， 得出结论，对于普通逻辑电路，由于竞争冒险所带来的功耗约占总体动 态功耗的8 , - - - - 2 5 ；对于一些复杂逻辑，如大约有3 0 级逻辑层次的1 6 x1 6 位乘法器，这个比例将达到6 0 以上。 跳变功耗模型n 3 1 从前面的功耗模型可知，电路的动态功耗主要取决于电路的寄生电 容、供电电压、工作频率及工作活动状态等，而对于具体的电路，前三 者都是基本确定的，这样电路的活动状态，也就是在单位时间内，电路 每个节点的寄生电容的状态变化频度，就显得相当重要了，因此这里引 用了以电路的状态跳变量所表示的动态功耗模型，它也在低功耗领域被 广泛应用。 定义1 ：无时延动态功耗( n o n - d e l a yd y n a m i cp o w e rc o n s u m p t i o n ) ，假设 电路是没有时间延时的理想电路，在只= ( 石) o 石( y ：) ) f ( g ) ) y l y 2 相 继加到电路的输入端时，电路由于正常功能引起的功耗n 劓。计算如下： 肛善t 善( 工【( 卜1 ) f 】。f - i o t ) o f ( g ) ，公式( 2 - 4 ) f t ( i t ) 其中f 为逻辑门总数，石是指在输入向量v 条件下，电路在基本 逻辑门g 输出处的布尔值，o 是异或操作，f ( 9 1 是门g 处的扇出节点数。 定义2 ：有时延功耗( d e l a yp o w e rc o n s u m p t i o n ) ，实际电路都是有时间 延时的，并且由此产生的冒险所带来的功耗是不可忽略的，在上式中考 虑了时间延时的影响便可以得到有时延功耗u ： cr 七1 只= ( 【( f 1 ) q o z 【衍】) f ( g ) 公式( 2 5 ) 这里，电路的一个工作周期被分为k 段，f , ( i t l 实际为门g 在i * t 时 刻的状态，实际上无】，：a 彳：0 时延功耗是有时延功耗的维护特例。 2 1 2 静态功耗理论 电路的总功耗是由不同种类的动态功耗和静态功耗构成的，它们共 同存在且满足基尔霍夫电流定律( k i r c h o f f sc u r r e n tl a w ，k c l ) 。总 硕士学位论文 功耗的大小不仅和电路的状态密切相关，也取决于晶体管的上艺参数， 如：有效沟道长度幻源漏级扩展长度zl s o 氧化层厚度，结的深度z 和 宽度w 等。 亚阈漏电流n 5 1 ( s u b t h r e s h o l dl e a k a g ec u r r e n t ) 是当电路处于静 止状态时源级和漏级之间的电流，它是到目前为止研究较多的一种漏电 流，常用的b s i m 模型可以对晶体管的亚阈漏电流进行精确的建模： 砷。争瞟卜鲁 e x p 这里。是载流子的迁移率， 公式( 2 - 6 ) 厶为晶体管的有效宽度和长度， v r = k t q 被称为热效电压( t h e r m a lv o l t a g e ) ，协是在零偏置下的闽值 电压( t h r e s h o l dv o l t a g e ) 。 栅级漏电流n 6 1 ( g a t el e a k a g ec u r r e n t ) 随着栅级氧化层厚度的减小 变得越来越突出的( 1 3 0 n m 工艺下大约为1 2 - 1 6 埃) ，而每减小2 埃栅 级漏电流将会有一个数量级的提高，随着工艺的加深，栅级漏电流的增 长速度比亚闽漏电流快得多，它可以用公式( 2 - 1 3 ) 表示，这里为隧道 电子( 或空穴) 的势垒高度，以和夙为工艺相关的物理参数。 一一饼十 1 公式( 2 7 ) j 当反偏的p - n 结之间形成强大的电场时，会形成较强的漏电流，通 常被称为源漏级反偏( r e v e r s eb i a s e db a n dt ob a n dt u n n e l i n g ，b t b t ) 漏电流： 厶研= w l , a 盖儿懿p ( 一b e , 3 坨乒) 公式( 2 8 ) k = s i d e b o t t o m 埘 这里厶和l 一指p - n 结侧面和底面的长度，缸、f 一指p - n 结侧面 和底面的电场，a 和b 为工艺相关的物理参数。 总功耗是由以上各类功耗共同构成，我们用公式2 1 3 表示。现有 文献中，绝大多数都是对某种功耗进行建模，对于总功耗或者动静态功 耗协同分析的研究较少。