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嵌入式應用系統(tǒng)中，普遍存在功耗浪費現(xiàn)象。如果將人比作一個嵌入式應用系統(tǒng)，人在行走時，系統(tǒng)處于連續(xù)運行狀態(tài)，眼睛負責觀察前方路況。通常在人行走的全過程中，眼睛都處于連續(xù)工作狀態(tài)，然而，在實際行走中，并不要求對前方路況信息連續(xù)捕捉。假如眼睛對前方路況捕捉時間小于 0.5 s，人體盲目行走每米的橫向偏差為0.05 m，當路面允許最大橫向偏差不大于1 m時，人行走在 20 m范圍內可不需要眼睛捕捉新的路況信息。這樣，人便可以閉上眼睛走路，只在每行走20 m的周期中，將眼睜開0.5 s即可。當行走速度為1 m/s時，行走過程中眼睛的有效工作時間僅為0.5 s/20 s = 2.5 %。由此看來，通常行走時，眼睛的"功耗"有97.5 %都浪費了。 1 零功耗系統(tǒng)設計的基本概念 1.1 系統(tǒng)中的理想功耗 一個電子系統(tǒng)要運行就會有功耗。如果系統(tǒng)運行時沒有任何功耗浪費，那么它的功耗就是系統(tǒng)的理想功耗。 在一個嵌入式應用系統(tǒng)中，由于普遍存在CPU高速運行功能和有限任務處理要求的巨大差異，會形成系統(tǒng)在時間與空間上巨大的無效操作。如果在系統(tǒng)運行中，所有時間、空間上的無效操作都沒有功耗，那么系統(tǒng)便處于理想功耗運行之下。 1.2 應用系統(tǒng)中的有效操作時空占空比 如果將系統(tǒng)運行中，所有時間、空間上的有效操作和無效操作采用時空占空比來量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)全部運行操作之比。在一個具體應用系統(tǒng)中，有效操作的時空占空比有：宏觀時域占空比、宏觀區(qū)域占空比、微觀時域占空比和微觀區(qū)域占空比。以下以一個嵌入式應用系統(tǒng)--熱流量計為例來描述這4個占空比的概念。 1.2.1 有效操作的宏觀時域占空比Tdc Tdc定義為系統(tǒng)運行時域上有效操作時間OPact與全部運行時間OPtot之比。由于嵌入式應用中CPU的高速運行與有限任務操作的差異，常常會形成有效操作高諧小量的時域占空比現(xiàn)象。例如，在熱流量計中，要采集、處理的物理參數(shù)有熱水的入口溫度、出口溫度和流量計數(shù)值。由于這些參數(shù)的大慣量特征，在滿足采集精度要求下，一次采集循環(huán)周期為10 min，然而系統(tǒng)完成一次采集、處理、存儲、送顯示的時間只需2 s，如圖1所示。那么，該系統(tǒng)的有效操作時間OPact為 2 s，全部操作循環(huán)時間OPtot為600 s，系統(tǒng)宏觀有效操作時域占空比為 有效操作宏觀區(qū)域占空比定義為：系統(tǒng)運行時，有效操作區(qū)域Sact與系統(tǒng)全部區(qū)域Stot之比。由于系統(tǒng)運行時，并不是所有電路單元都處于有效操作狀態(tài)，特別是在單CPU系統(tǒng)中，所有功能單元都是在CPU的輪流控制下運行，致使系統(tǒng)的各部分電路輪流進入有效操作狀態(tài)。例如，在熱流量計中，在有效操作時域OPact中，除CPU外，采集、處理、存儲、送顯示的4個主體操作是輪流進行的，如圖2所示。如果按等區(qū)域原則最粗略地估算，可以算出該系統(tǒng)宏觀有效操作的區(qū)域占空比為在系統(tǒng)硬件設計中，如果有意識地按任務進程，對系統(tǒng)電路進行粗略的劃分，形成相對獨立任務運行空間，這樣便可較準確地計算出Sdc值。 在數(shù)字系統(tǒng)中，進入有效操作狀態(tài)的一個完整電路中，也不是每一時刻、每一電路單元都處于有效操作狀態(tài)，同樣可以估算出微觀有效操作的時域占空比和區(qū)域占空比。 (1)有效操作的微觀區(qū)域占空比μSdc μSdc定義為：有效操作電路單元中，平均有效操作區(qū)域Aact與全部電路單元區(qū)域Atot之比。例如，熱流量計在執(zhí)行數(shù)據存儲任務，對EEPROM進行存儲操作時，EEPROM的三個操作區(qū)域，即輸入緩沖電路、轉換控制電路和EEPROM陣列輪流進入有效操作狀態(tài)。設這三個區(qū)域有效操作功耗相等，那么，熱流量計在數(shù)據存儲時，存儲器EEPROM的微觀有效操作區(qū)域占空比為 系統(tǒng)中，所有處于有效操作的電路，真正的有效操作只表現(xiàn)為"0"、"1"狀態(tài)的變化操作。因此，電路有效操作的微觀時域占空比μTdc定義為：電路的動態(tài)時間ATact與全部時間ATtot之比。例如，在熱流量計的數(shù)據采集任務中，頻率測量的邏輯控制電路要根據溫頻傳感器輸出的信號脈沖，實現(xiàn)頻率測量控制。這些操作控制都出現(xiàn)在脈沖的變化沿。設溫頻傳感器輸出的信號脈沖頻率為20 kHz，測控邏輯狀態(tài)變化時間小于100 ns，可以估算出，在數(shù)據采集任務中，頻率測量控制邏輯電路有效操作的微觀時域占空比為 1.3 高諧小量時空占空比與零功耗設計 1.3.1 實際系統(tǒng)中高諧小量的時空占空比 在嵌入式應用系統(tǒng)中，CPU高速處理能力與實際任務操作狀態(tài)以及系統(tǒng)中的微觀靜、動態(tài)的巨大差異，導致大量無謂等待狀態(tài)，形成有效操作的時、空占空比現(xiàn)象。上述4類占空比現(xiàn)象，在許多嵌入式應用系統(tǒng)中都會存在，而且這4類占空比形成乘積效應。按照上述估算，熱流量計總體有效操作的時空占空比OPdc為 從這里揭示了一個驚人的現(xiàn)狀，即在一個嵌入式應用系統(tǒng)中，有效操作只是全部運行操作的高諧小量。這一特點是嵌入式系統(tǒng)零功耗設計的基礎。零功耗系統(tǒng)按照有效操作時空占空比實行精細的功耗管理，非有效操作期間沒有功耗，從而使系統(tǒng)功耗與原來相比達到趨于零的效果。早期提出零功耗概念，并實現(xiàn)零功耗設計的器件有AMD公司的Flash存儲器Am29SL800B。早先Am28F800B的功耗量級為100時，改進工藝并降低電壓后的Am29SL800B為20，而實現(xiàn)零功耗管理的Am29SL800B的功耗則小于0.1。可見零功耗系統(tǒng)設計在降低系統(tǒng)功耗中的潛力。 1.3.2 零功耗系統(tǒng)設計基本要求 在不少實際的嵌入式應用系統(tǒng)中，雖然有效操作時空占空比不會是熱流量計那樣顯著的高諧小量，但一般都會有0.1 %的量級。如果能按照系統(tǒng)有效操作時空占空比實施精細的功耗管理，使無效操作期間沒有功耗，就可實現(xiàn)系統(tǒng)的零功耗。 零功耗是一個工程概念。零功耗系統(tǒng)是指該系統(tǒng)中沒有任何功耗浪費。因此，零功耗系統(tǒng)設計的基本要求如下： (1)系統(tǒng)中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關斷(沒有功耗)。 (2)系統(tǒng)具有按有效操作時空占空比實施精細功耗管理的能力，能做到"多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰干誰吃"的系統(tǒng)功耗分配。 (3)對于系統(tǒng)無法企及的微觀有效操作時空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動特性來滿足功耗分配，即電路動態(tài)過程有功耗，電路靜態(tài)時沒有功耗。 2 零功耗系統(tǒng)設計的技術基礎 零功耗系統(tǒng)設計的核心技術，是按系統(tǒng)中有效操作時空占空比來實現(xiàn)按需分配的功耗管理。不僅實現(xiàn)宏觀有效操作時空占空比的功耗管理，還要實現(xiàn)微觀有效操作時空占空比的功耗管理。因此，實現(xiàn)零功耗管理必須有相應的技術基礎，這就是CMOS工藝的電路基礎、嵌入式系統(tǒng)實時的智能化控制以及具有功耗管理功能的外圍器件。這些技術基礎可以滿足零功耗系統(tǒng)設計的三個基本要求。 2.1 CMOS工藝的電路基礎 數(shù)字電路從TTL工藝轉向CMOS工藝，對電路功耗特性產生最大影響的是靜動態(tài)(靜態(tài)是"0"、"1"的恒定狀態(tài)，動態(tài)是"0"、"1"的跳變狀態(tài))功耗特性的根本差異。正是這一差異誕生了電路系統(tǒng)功耗管理的概念與技術。圖3是TTL電路和CMOS電路靜動態(tài)功耗特性。圖3(a)為TTL功耗特性，圖3(b)為CMOS電路功耗特性。TTL電路為電流注入型電路，靜動態(tài)電流相近；而CMOS電路為壓控型電路，只在動態(tài)下才消耗電流，靜態(tài)電流為泄漏電流，理想情況下靜態(tài)電流為零。根據數(shù)字電路的有效操作態(tài)只表現(xiàn)為電路的動態(tài)情況，那么，只有CMOS電路才能提供按有效操作時空占空比實施功耗管理，而且指出了CMOS電路功耗管理的基本原則就是系統(tǒng)的最大靜態(tài)化設計。對于功耗管理無法企及的微觀時空占空比，CMOS電路靜、動態(tài)特性能自動保證非有效操作時的極微功耗(電路泄漏形成的功耗)狀態(tài)。 嵌入式系統(tǒng)實時功耗管理能力，表現(xiàn)在能保證按照系統(tǒng)有效操作時空占空比來實現(xiàn)系統(tǒng)時空的最大靜態(tài)化運行。其中核心的技術是系統(tǒng)中時鐘與信號流的控制與調度。在系統(tǒng)無效操作的時間和區(qū)域上，終止時鐘運行或進入，禁止開關、脈沖信號進入。 2.3 外圍器件功耗管理功能的保證 零功耗系統(tǒng)中所有的器件，包括處理器及外圍器件，都必須具備功耗管理功能。目前，CMOS的各類微處理器都具備有十分完善的低功耗模式。CMOS外圍器件中，有一部分具有自動的零功耗管理，不必微處理器的介入；許多CMOS外圍器件都具有外部引腳控制或編程控制的功耗管理功能。 2.4 電源管理的輔助技術 由于CMOS電路的靜動態(tài)功耗特性，CMOS電路的功耗管理遵循供電狀態(tài)下的最大靜態(tài)化原則。無論系統(tǒng)中的主器件還是外圍器件的功耗管理都與指令控制相匹配，不必顧慮功耗轉換的過渡過程。但當系統(tǒng)中不可避免地出現(xiàn)一些非CMOS功耗特性電路(如傳感器供電電路)或一些模擬電路時，這些電路的功耗管理則須依靠電源供電管理方式。即這些電路退出有效操作時，關閉電源；待進入有效操作前開啟供電線路。由于電路的時間常數(shù)，這些電路電源達到額定工作值或者進而啟動時鐘工作時，會有一個過渡期，不能即開即用，會給應用管理程序設計帶來問題。 當前，嵌入式應用系統(tǒng)已走向全面CMOS化，嵌入式處理器中提供了由指令管理的多種低功耗模式，外圍器件設置有許多低功耗控制功能，加上具有可局部關斷功能的分布式供電體系以及電源總線開關等，為零功耗系統(tǒng)設計提供了十分現(xiàn)實的基礎。 3 零功耗系統(tǒng)設計基本內容 按照最大靜態(tài)化設計的基本原則，零功耗系統(tǒng)設計必須有最小量有效操作時空占空比的任務規(guī)劃，設計出相應的硬件支持電路，并實現(xiàn)按有效操作時空占空比的功耗管理軟件支持。因此，零功耗系統(tǒng)設計貫穿了應用系統(tǒng)設計的全過程。 3.1 最小量有效操作時空占空比的任務規(guī)劃 理論上講，每個嵌入式系統(tǒng)都具有高諧小量的有效操作時空占空比；但若不認真將有效操作與無謂等待精細區(qū)分，而將有效操作與無效操作混在一起，就不可能實現(xiàn)系統(tǒng)的最大靜態(tài)化管理。 (1)斷續(xù)運行系統(tǒng)最小時空占空比的任務安排 對于可斷續(xù)運行的系統(tǒng)，無論任務集中還是分散，都要努力尋求有效操作最小量的時空占空比。例如，熱流量計中確定了采集、處理、存儲、送顯示4個任務時間TOP后，任務的循環(huán)周期Ttot將決定宏觀時域占空比的大小，即Tdc=TOP/Ttot。Ttot受溫度變化率及測量精度的限制。在確知熱水溫度變化率和溫度采集精度要求下，使Ttot最大來獲得最小的有效操作時域占空比。 (2)連續(xù)運行系統(tǒng)的非連續(xù)化 將連續(xù)運行系統(tǒng)中的某些連續(xù)運行任務分離出來，實行非連續(xù)化，這樣可以把連續(xù)系統(tǒng)的主體任務實現(xiàn)有效操作的占空比。例如，熱流量計實際上是一個連續(xù)運行系統(tǒng)，因為它要不停頓地采集流量傳感器的流量脈沖QP。如果把流量脈沖采用極微功耗，獨立的計數(shù)器不停地計數(shù)，熱流量計只在數(shù)據采集任務中順便讀取計數(shù)器的計數(shù)值即可實現(xiàn)熱流量計主體的最小量時域占空比。 (3)系統(tǒng)中各項操作任務相關區(qū)域的最小化與獨立化 為保證系統(tǒng)能獲取最小有效操作的宏觀區(qū)域占空比，并據此實現(xiàn)區(qū)域的功耗管理，必須將每個操作任務限定在一個獨立的最小區(qū)域內，使不同操作任務的電路相對獨立。例如，時鐘、信號通道可單獨關閉；采用電源管理的區(qū)域設置單獨的電源總線開關或采用I/O驅動供電等。 3.2 系統(tǒng)硬件設計中的功耗管理電路設計 (1)滿足宏觀時空占空比功耗管理的獨立電路設計。當按照最大限度宏觀時空占空比來管理電路時，必須將這些電路設計成能獨立實現(xiàn)靜態(tài)化或實時關閉的電路單元和相應的管控電路。 (2)選擇滿足零功耗管理的外圍器件。選擇能自動實現(xiàn)零功耗管理的器件或可功耗管理的外圍器件。 (3)最小值守電路設計。設計微功耗、高可靠性的開機值守、喚醒值守或運行值守電路。 (4)用電管理電路設計。在許多情況下，對于分時多區(qū)操作的獨立電路單元，采用分布式帶關斷功能的供電電路來實現(xiàn)功耗管理是十分有效的。例如，熱流量計在采集完溫度傳感器的輸出后立即將傳感器電源關閉。 3.3 功耗管理的應用軟件設計 零功耗系統(tǒng)完全是在CPU的控制下完成功耗管理的，因此，它是依據總體設計要求，在系統(tǒng)硬件支持下，通過功耗管理的應用軟件實現(xiàn)的。應用軟件要遵循系統(tǒng)有效操作的時空占空比來及時關閉或喚醒相應的電路單元。 (1)MCU、處理器、SOC本身的零功耗管理。它包括內核的零功耗管理和核外功能單元的零功耗管理。 (2) 外圍器件的零功耗管理。它包括外圍器件的功耗管理或電源供電管理。 4 零功耗系統(tǒng)與最小功耗系統(tǒng)設計 零功耗系統(tǒng)是基于功耗管理的低功耗系統(tǒng)，但只有零功耗系統(tǒng)設計并不能實現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗。因為在實際系統(tǒng)中，有效操作時系統(tǒng)的功耗過大以及非有效操作時系統(tǒng)的功耗遠不為零，都會影響實際系統(tǒng)的最小功耗水平；而降低系統(tǒng)有效操作和非有效操作時空中的功耗水平，屬于傳統(tǒng)的低功耗設計技術。它是根據電路功耗特性參數(shù)來實現(xiàn)滿足低功耗設計要求，在很多情況下并沒有功耗管理的參與。例如，根據CMOS電路動態(tài)功耗特性，其動態(tài)功耗與供電電壓、變換頻率、負載電容等參數(shù)有關。降低系統(tǒng)供電電壓，降低時鐘頻率，減少硬件電路設計制作時的分布電容等，這樣可以減少有效操作電路中的功耗水平；減少CMOS電路的靜態(tài)泄漏電流的措施，則可降低非有效操作時空電路上的功耗。只有充分實施了傳統(tǒng)的低功耗設計和零功耗設計，才能獲得系統(tǒng)的最小功耗。 結束語 (1)零功耗系統(tǒng)是一種工程概念。在這種系統(tǒng)中沒有功耗浪費，所必需的系統(tǒng)功耗為傳統(tǒng)電路功耗的高諧小量。 (2)零功耗系統(tǒng)設計是基于CMOS數(shù)字電路靜、動態(tài)功耗特性的最大靜態(tài)化的功耗管理設計。 (3)在嵌入式應用系統(tǒng)中，按系統(tǒng)有效操作的時空占空比，實現(xiàn)按需供給的功耗管理能最有效地、大幅度地降低系統(tǒng)功耗。 (4)對系統(tǒng)實現(xiàn)低功耗設計與零功耗設計可實現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗--微功耗。 (5)系統(tǒng)的微功耗以及便攜化，使系統(tǒng)供電變得十分靈活與多樣化，從而使傳統(tǒng)的系統(tǒng)電源設計轉向系統(tǒng)供電設計。 |
