嵌入式系統(tǒng)降低功耗的方法研究

摘要 低功耗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能量消耗問題是近幾年來在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中普遍關(guān)注的難點(diǎn)與熱點(diǎn)，它嚴(yán)重制約著嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展。本文以降低嵌入式系統(tǒng)所耗電能為目標(biāo)，提出了嵌入式系統(tǒng)降低功耗的綜合措施，并對低功耗嵌入式系統(tǒng)各種經(jīng)典措施進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使之充分發(fā)揮降低功耗的作用。最后闡述了該解決措施尚存在的一些關(guān)鍵問題，并對低功耗嵌入式系統(tǒng)的前景和發(fā)展進(jìn)行了評述。
關(guān)鍵詞 低功耗硬件設(shè)計(jì) 低功耗軟件設(shè)計(jì) DVS DPM

引 言
隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的迅速發(fā)展，PDA和移動電話等便攜式裝置深入到生產(chǎn)生活的各個(gè)角落，嵌入式系統(tǒng)市場有迅速增長趨勢。嵌入式系統(tǒng)一般是由電池來供給電能的，而且大多數(shù)嵌入式設(shè)備都有體積和重量的約束。減少電能消耗不僅能延長電池的壽命，縮短用戶更換電池的周期，而且能提高系統(tǒng)性能與減小系統(tǒng)開銷，甚至能起到保護(hù)環(huán)境的作用。

1 嵌入式系統(tǒng)功耗分析
研究微處理器的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，首先必須了解它的功耗來源。如圖1所示，從高層次仿真得出的結(jié)論可以看出，通過開關(guān)級功率模擬所獲得的高性能CPU的功率分布關(guān)系。其中，時(shí)鐘功耗所占比例最大，包括時(shí)鐘發(fā)生、驅(qū)動器、時(shí)鐘樹、鎖存器和所有時(shí)鐘負(fù)擔(dān)的器件；數(shù)據(jù)通路的功耗僅次于時(shí)鐘，主要包括執(zhí)行單元、總線和寄存器文件；片上存儲器的功耗主要由存儲器的大小以及存儲陣列的電路和物理結(jié)構(gòu)所決定；控制單元和I／O的功耗通常占整個(gè)芯片功耗的一小部分。

2 嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)
低功耗設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性課題。就流程而言，包括功耗建模、評估以及優(yōu)化等；就設(shè)計(jì)抽象層次而言，包括自硬件底層至應(yīng)用程序?qū)拥乃谐橄髮哟?，而目前低功耗設(shè)計(jì)大都在操作系統(tǒng)層實(shí)施，如圖2所示。同時(shí)，功耗優(yōu)化與系統(tǒng)速度和面積等指標(biāo)的優(yōu)化密切相關(guān)，需要折中考慮。下面根據(jù)各部分在嵌入式系統(tǒng)中的不同層次，討論常用的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)及具體應(yīng)用。

2．1 低功耗硬件設(shè)計(jì)
低功耗硬件設(shè)計(jì)是嵌入式系統(tǒng)降低功耗的重要內(nèi)容。因此，需要從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)計(jì)和低功耗模式等幾方面采用特定的方法(例如，門控時(shí)鐘和可變頻率時(shí)鐘、并行結(jié)構(gòu)與流水線技術(shù)、低功耗單元庫、低功耗狀態(tài)機(jī)編碼、Cache低功耗設(shè)計(jì)等)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件節(jié)能設(shè)計(jì)。下面介紹門控時(shí)鐘和可變頻率時(shí)鐘的應(yīng)用。時(shí)鐘是惟一在所有時(shí)間都充放電的信號，而且很多情況下引起不必要的門的翻轉(zhuǎn)，因此降低時(shí)鐘的開關(guān)活動性將對降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗產(chǎn)生很大的影響。門控時(shí)鐘包括門控邏輯模塊時(shí)鐘和門控寄存器時(shí)鐘。門控邏輯模塊時(shí)鐘對時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分，如果在當(dāng)前的時(shí)鐘周期內(nèi)，系統(tǒng)沒有用到某些邏輯模塊，則暫時(shí)切斷這些模塊的時(shí)鐘信號，從而顯著降低開關(guān)功耗。圖3為采用“與”門實(shí)現(xiàn)的時(shí)鐘控制電路。門控寄存器時(shí)鐘的原理是當(dāng)寄存器保持?jǐn)?shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉寄存器時(shí)鐘，以降低功耗。門控時(shí)鐘易引起毛刺，必須對信號的時(shí)序加以嚴(yán)格限制，并對其進(jìn)行仔細(xì)的時(shí)序驗(yàn)證。