嵌入式系统低功耗设计

嵌入式系统低功耗设计低功耗嵌入式系统应用实例嫦娥二号中的低功耗系统计算机功耗功耗：设备输入功率和输出功率的差额计算机是一种电子设备，正常工作必定产生功耗独立工作的嵌入式系统，如果没有输出功率，其消耗的电能最终都转化热量

过高的功耗会带来散热、能源浪费、电磁干扰、稳定性降低、安全隐患等一系列问题嵌入式系统低功耗设计的重要性低功耗设计可延长电池供电系统持续工作时间

低功耗设计是延长系统使用寿命、提高系统稳定性的需要低功耗设计降低系统的散热要求低功耗设计有利于节约能源

低功耗设计可减少系统的电磁辐射

低功耗设计可提高系统的安全性

计算机主板中的散热器功耗类型静态功耗：门电路的状态不发生翻转时，门电路的功耗，CMOS门电路的静态功耗非常小动态功耗：当门电路状态发生翻转时产生的功耗。电平发生翻转时，会产生瞬间的大电流，并引起负载电容的充/放电，产生较大功耗动态功耗是影响系统功耗的主要因素CMOS非门电路结构当VIN=0V时，TN截止，TP导通，VOUT≈VDD，为高电平当VIN=VDD时，TN导通，TP截止，VOUT≈0V，为低电平CMOS非门电路在静止状态下，总有一个MOS管处于截止状态(nW级功耗)CMOS门电路动态功耗包括两个部分：电容充放电功耗、瞬时导通功耗CMOS门电路电容充放电功耗Pturn当输入翻转为“0”时，TP导通，电源通过PMOS向负载电容充电当输入翻转为“1”时，负载电容通过TN向地放电。随着CMOS门电路状态的改变，负载电容上不断发生充、放电过程，从而产生功耗，这就是电容充放电功耗电容充放电引起的平均动态功耗占门电路全部功耗的70%到90%CMOS门电路瞬时导通功耗Pshort

实际应用中，转移曲线并不是理想的方形，BCDE时间不为零，零内阻的MOS管会在电源与地之间形成直接短路的现象对大多数芯片，瞬时导通功耗占总动态功耗的5%到10%电路功耗的组成P=Pturn+PShort+PLeakage：CMOS门电路总的平均动态功耗电容充放电功耗和瞬时导通功耗组成的动态功耗是主要因素，静态功耗的影响较小动态功耗是总功耗的主要部分，但静态功耗也是不可忽视的一部分电路系统功耗设计的基本原则电源电压宜低不宜高，工作电压的降低可以显著减少系统功耗。时钟宜慢不宜快，所以在满足需求的前提下，尽可能降低系统工作时钟的频率。系统宜静不宜动，在没必要的时候，可停止系统的工作，如关闭工作时钟、停止对内存的访问、停止总线的时序操作等系统级硬件功耗控制方法选择低功耗器件采用低功耗电路形式充分利用器件的低功耗工作模式选择低功耗电源电路分区分时供电动态电压与频率调节其它硬件功耗控制方法选择低功耗器件CMOS器件具有低功耗、高输入阻抗的特点，广泛采用CMOS器件可降低嵌入式系统功耗选择处理器时，不仅要关注其计算速度、接口和功能的多少，还要关注其功耗特性选择存储器、接口控制器等器件时也要考虑功耗的问题采用低功耗电路形式功耗可以达到100W~200W左右采用株低功野耗电寻路形摔式功耗20碌W左右采用觉低功孕耗电唉路形爷式系统振功耗滋可控群制在10激W以内充分归利用袋器件探的低钢功耗湖工作拥模式从处疮理器简，到显各类啊接口暗控制妙、存嫁储器律，很温多都信有不棋同的疫功耗表模式软件道控制S3栽C4松4B慰0X时钟批发生赞器是玩否向鹿各个贿功能丽模块抢提供过时钟番，从闸而实石现功潜耗的葱控制S3趴C4邮4B句0X有5种功摩耗模能式：需正常唱模式菜、慢晚速模浓式、轻停机暴模式治、ID械LE模式浓、SL日I虏DL刊E模式选择嚷低功响耗电丝式源电锅路嵌入劈燕式系引统需抗要直轮流供看电。拨通常治情况触下，斯先由捡外部若直流罪电源叼或电订池提内供初袭级的解直流踪蝶供电孩，在求电路乱板上相再用DC队-D培C电源汪电路呈将输鸡入电干压变鼠换为低电路穗需要屠的各爱种电柳压DC兄-D粱C电源太电路月会产贝生功唱耗，电压受转换垂效率越低驼，功令耗越轧大。客在嵌姻入式哨系统涝的低澡功耗碍设计羊中，昼电源番电路武自身包的功参耗是针一个蒙需要箱重点缩慧考虑登的因枝素直流滚电源似输入线性敬稳压筐电源谷原理缺点徐：效率埋低、每功耗蚁大、骆常需保要散惯热优点碗：稳定框性高朗、纹麻波小序、电名磁兼冷容性时能好凡、电惭路简裳单集成都线性忍稳压旅器DC羽-D斥C开关贸电源Bo笋os轰t升压忍型电束源Bu冬ck降压滨型电届源Bo湖os步t升压炕型电忆源变煎换电仗路原抓理当开调关管吩导通授时，蝇二极犯管可久防止素电容勤对地茂放电兔，输奥入电故源对蜂电感难充电浙；当马开关社管断仗开时猴，电历感存钱储的扶电能拘向电猛容充提电，序使电信容两宰端电昌压升饲高。幸如果隙电感颠量、进电容卸量足才够大袋，开协关管蛙通断旦的过涛程不鱼断重锄复，优可以滴在电松容两券端得漠到高疯于输楼入电翅压的柏电压散。Bo静os随t升压捆型电洋源变军换电妙路Bu武ck降压盗型电煎源变去换电稳路通过惠开关夫管的炭通断另，将谋输入顺直流蓝电压视变为湾方波字，再作利用LC滤波近电路记对方作波进脊行滤逃波，雁得到燃比输郑入电违压低勉的输仿出电帜压。毛输出乐电压诉与方贼波的茂占空搁比及你开关减频率庭有关档。Bu舰ck降压宅型电盾源变债换电闹路DC采-D绩C开关扯电源凭特点优点：效雄率可忠以达瓶到90设%左右将，不剑会象洗线性虹电源崭那样尤产生剂大量休的热尚量缺点：电机磁辐兔射，煌输出齐纹波棕较大武，电料路更值复杂集成萄开关瓶电源戴控制宿器嵌入业式系载统电蛙源电层路选舰择输入窄、输想出电束压差夜距大玩，考勿虑开屿关电辩源电源匠功率凭大，严考虑细开关雷电源升压达电源梢，要毛用开牌关电鸦源电流形小、姑压差瞧小、舌纹波贞要求译高、狠价格鱼低，甩考虑津线性告电源分区逝分时贺供电典型倒手机贯的组奸成模纷块动态营电压区与频库率调劳节数字邻电路兄的功挡耗与粉工作胆频率泉成正遇比、花与工相作电净压的败平方苦成正圆比，勿所以群降低郊工作决频率低、降旬低工缝作电冶压可滴明显刻降低谣功耗动态柴电压霜调节(D民VS，Dy携na画mi博c懂Vo择lt号ag芬e锁Sc烈al脚in造g)是一季种通是过控鲁制供刊电电阿压调造整系蜻统功粘耗的料技术动态企电压全与频过率调笼节（DV嫩FS，Dy怎na丹mi速c夏Vo青lt柴ag浑e掠an断d谋Fr哲eq迹ue椅nc侨y咸Sc部al宋in滔g）动态泥电压故调节从的条记件具有抽能对包处理偷器负秩荷进木行评蜂估和堪预测唇的智睬能软恳件或畅硬件电源男管理谎模块披支持责电压喂调节是，根吐据指肢令调损节输疗出电庭压，锦使处嚷理器岂工作孤电压票与其览任务套负荷辨相适丸应微处营理器衡本身竭支持DV鞠S技术慎，可仆以在旬一定编的电绣压范奔围内超正常梯工作FA生N5滴35花5可编于程稳遍压器动态闲电压答与频接率调竟节工作甘电压考和工次作频固率的谢调节印相互迁协调患、同需步进轨行，亿是实埋现处部理器辱功耗合动态饺管理竞的有塞效方幅法AR笼M处理科器智宪能功手耗管月理IE衫M（In层te迎ll若ig咽en洒t升En欧er绪gy防M环an危ag伙er四)AV显S（Ad既ap贿ti卷ve狮V吨ol而ta锅ge杠S预ca雅li寻ng）In瓣te颠l:Sp贱ee险dS哄te禁p其它逆硬件码功耗累控制针方法门控纪时钟如：在寄缸存器携的时敞钟网期络上因插入隶门控邻电路择，产踏生一抚个消维除寄特存器鄙不必氧要活眯动的走控制霸信号诞，减洪少了劝电路虎中不察必要四的信宝号翻帖转，耻从而锹降低抹功耗接口戴电路逢的低序功耗载设计赤：上拉炭电阻粒的阻攀值尽等可能蜓大些跃；不槽用的CM油OS输入守引脚欺接到拉信号束地或抵高电任平；区没必仿要的背时候灰尽量捷不用敞信号窄驱动粉器；止继电线器、赠光耦完、LE遵D的驱侨动电默路要坐避免馆长时虽间持它续地悼消耗厚电流干；等醉等限制械输入季信号鲁：限制挂输入丑信号多，减蜘少数挺据量尸，有鸭利于名控制牵系统漂功耗软件奥功耗别控制始方法采用友低功豪耗优筋化的拾编译丹技术用“羞中断探”代歼替“狮查询传”用“便宏”粘代替给“子疾程序愧”尽量宽减少惭处理流器的紫计算砖量减少放系统咽的持母续运歼行时咬间实现务电源蜘的管茄理采用饰低功谱耗优客化的狠编译旨技术高级鞠语言场程序扒比专渠家级候的汇漫编/机器沙语言温程序黎执行巡寿速度棒降低胖，也巩意味匠着功谦耗的锈增加同一穿个程序序，匀不同趟的编渡译器惰、或材编译椅器不学同的伍编译歉选项谅产生朝不同巴的指氏令序守列产柿生不声同的辆功耗通过预优化套编译础器可津以有具效地购降低步嵌入白式系排统的厦功耗编译虏器功旧耗优年化的歇主要蒜目标睡是在晌不降辱低或屑不明魂显降旧低程盟序执赖行效倡率的着情况粉下做厌到最小定化峰毒值功广耗、最小月化总秩的能勤量消幼耗以及怀在功耗/性能循间取玻得平撑衡用“处中断军”代塑替“馒查询躁”中断小方式膊，只翅有事响件产摸生时惨，才铜引起孝中断嫩，处写理器播在中悬断服踪蝶务程漫序里室对事迎件进卧行处蝇理查询杯方式露，处芹理器梢需要棍周期渣性主句动地除检测泽是否夜有事蠢件发史生，映在事谜件发侧生时故进行仇相关检处理中断旋方式中下，橡无事剥件产彩生时县，可屿以进爪入低系功耗踩模式座；而朗查询权方式默下，马处理红器必赤须执严行相渠应软淋件代幸码，爬不停夜地检购测相痰关寄命存器巧状态镇以判省断事脚件是婶否发主生，议从而每带来糕不必馅要的继功耗用“摸宏”蜓代替谊“子员程序徐”宏与小子程艰序都瓜可以遭用一要个名浇字定吴义一御段程泳序，制以简衡化源桶程序叠的结皮构和撒设计宏引符用多采少次榨，就拒相应欲扩展皮多少庸次，奇所以而，使牧用宏构定义而只是郊简化貌了源披程序演设计逢，不杨会减悦少目垄标程由序的柳代码武量子程伸序代古码在廊目标龄程序蛇中只炼出现蒜一次跑，调且用子豆程序征是执邻行同叮一程固序段联，因彩此，尝目标维程序画也得胜到相氏应的亮简化宏定匹义尽甲管占断用的抹更多肆的存览储空阅间，沾但提冒高了理程序甚的执排行效姿率，漏同时腾可以今减少识系统困的功充耗尽量脸减少凝处理办器的建计算茧量用查表压代替俯计算不过错分追晶求计窗算精咳度，避膨免“叨过度孙”的株计算尽量使用谣短数慢据类蹦型，在禾精度挨允许磁的情刃况下侧，使嘱用简贞单函贱数代覆替复阔杂函拣数，游得到席近似兆的计府算结典果，妹降低珠计算当复杂亿度通过减少焰需要肃处理光的数捧据量，从昏而减帆少计高算量减少荒系统芹的持静续运汪行时辩间让任毅务的恼处理携尽快图完成翅，并乎在处皱理器乎空闲故时，殖使系隶统进毅入低积功耗诱的待葡机模渔式，母减少的系统悄的持交续运野行时器间在需许要处啊理任蹦务时赢，再游用定察时中慨断、幕