嵌入式系统低功耗设计研究

供电对降低器件功耗的作用十分明显。因此，处理小信号的电路可以降低供电电压。

　　2.4 分区/分时供电技术

　　一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作，基于此，可采用分时/分区的供电技术。原理是利用"开关"控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，仅保留工作部分的电源。

　　2.5 I/O引脚供电

　　嵌入式处理器的输出引脚在输出高电平时，可以提供约20 mA的电流，该引脚可以直接作为某些电路的供电电源使用，如图2所示。处理器的引脚输出高电平时，外部器件工作;输出低电平时，外部器件停止工作。需要注意。该电路需满足下列要求：外部器件的功耗较低，低于处理器I/O引脚的高电平输出电流;外部器件的供电电压范围较宽。

　　2.6 电源管理单元设计

　　处理器全速工作时，功耗最大;待机状态时，功耗比较小。常见的待机方式有两种：空闲方式（Idle）和掉电方式（Shut Down）。其中，Idle方式可以通过中断的发生退出，中断可以由外部事件供给。掉电方式指的是处理器停止，连中断也不响应，因此需要进入复位才能退出掉电方式。

　　为了降低系统的功耗，一旦CPU处于"空转"，可以使之进入Idle状态，降低功耗;期间如果发生了外部事件，可以通过事件产生中断信号，使CPU进入运行状态。对于Shut Down状态，只能用复位信号唤醒CPU。

　　2.7 智能电源设计

　　既要保证系统具有良好的性能，又能兼顾功耗问题，一个最好的办法是采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测，根据需要对系统采取不同的供电方式，以求系统的功耗最低。许多膝上型电脑的电源管理采用智能电源，以笔记本电脑为例，在电源管理方面，Intel公司采取Speed Step技术;AMD公司采取Power Now技术;Transmeta公司采取Long Run技术。虽然这三种技术涉及到的具体内容不同，但基本原理是一致的。以采用Speed Step技术的笔记本电脑为例，系统可以根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调整。如果系统使用外接电源，CPU将按照正常的主频率及电压运行;当检测到系统为电池供电时，软件将自动切换CPU的主频率及电压至较低状态运行。

　　2.8 降低处理器的时钟频率

　　处理器的功耗与时钟频率密切相关。以SAM-SUNG S3C2410x（32 b ARM 920T内核）为例，它提供了四种工作模式：正常模式、空闲模式、休眠模式、关机模式。各种模式的功耗如表1所示。

　　由表1可见，CPU在全速运行的时候比在空闲或者休眠的时候消耗的功率大得多。省电的原则就是让正常运行模式远比空闲、休眠模式少占用时间。在类似PDA 的设备中，系统在全速运行的时候远比空闲的时候少，所以可以通过设置，使CPU尽可能工作在空闲状态，然后通过相应的中断唤醒CPU，恢复到正常工作模式，处理响应的事件，然后再进入空闲模式。因此设计系统时，如果处理能力许可，可尽量降低处理器的时钟频率。

　　另外，可以动态改变处理器的时钟，以降低系统的总功耗。CPU空闲时，降低时钟频率;处于工作状态时，提高时钟频率以全速运行处理事务，实现这一技术的方法。通过将I/O引脚设定为输出高电平，加入电阻R1，将增加时钟频率;将I/O引脚输出低电平，去掉电阻R1，可降低时钟频率，以降低功耗。

　　2.9 降低持续工作电流

　　在一些系统中，尽量使系统在状态转换时消耗电流，在维持工作时期不消耗电流。例如。IC卡水表、煤气表、静态电能表等，在打开和关闭开关时给相应的机构上电，开关开和关状态通过机械机构或磁场机制保持开关的状态，而不通过电流保持，可以进一步降低电能的消耗。

　　3 软件低功耗设计

　　3.1 编译低功耗优化技术

　　编译技术降低系统功耗是基于这样的事实：对于实现同样的功能，不同的软件算法，消耗的时间不同，使用的指令不同，因而消耗的功率也不同。对于使用高级语言，由于是面向问题设计的，很难控制低功耗。但是，如果利用汇编语言开发系统（如对于小型的嵌入式系统开发），可以有意识地选择消耗时间短的指令和设计消耗功率小的算法来降低系统的功耗。

　　3.2 硬件软件化与软件硬件化

　　通常的硬件电路一定消耗功率，基于此，可以减少系统的硬件电路，把数据处理功能用软件实现，如许多仪表中用到的对数放大电路、抗干扰电路，测量系统中用软件滤波代替硬件滤波器等。

　　需要考虑，软件处理需要时间，处理器也需要消耗功率，特别是在处理大量数据的时候，需要高性能的处理器，这可能会消耗大量的功率。因此，系统中某一功能用软件实现，还是用硬件实现，需要综合计算后进行设计。

　　3.3 采用快速算法

数字信号处理中的运算，