嵌入式系统低功耗设计分析与实现

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1、华中科技大学硕士学位论文通过平衡负载和流水线操作来补偿[14】，但两者之间仍然要保持一定的比例关系。为平衡处理器性能和处理器功耗之间的关系，高性能嵌入式处理器大都提供多种时钟频率和工作电压的选择，以最大限度的节约能耗。如：IntelPXA255处理器允许处理器的时钟频率在100MHz至IJ400MHz之间变化，与时钟频率对应的工作电压在O．85V到1．65V之间变化。外围设备的电能消耗也是低功耗设计必须考虑的因素。对外围器件而言，低功耗CMOS器件是较好的选择，也就是选择有较低工作电压、低晶振频率以及较低时钟速度的器件¨”。特别是具有

2、低功耗模式的外围器件，当没有数据需要处理时，它们能够自动进入睡眠状态，从而减少功耗。对于没有低功耗模式的外围器件，可以设计相应的电源控制电路，使外围器件在不工作时切断电源，以减少无效功耗【l“。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[1”。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。嵌入式操作系统负责嵌入式系统

3、的全部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动【18】。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【19】。可变电压技术通过评估系统的工作状况，调整嵌入式处理器的工作速度和电压来节约能耗；动态功耗管理则是选择适当的时机将处理器置入睡眠状态。另一方面，面向低功耗的任务调度也是研究的热点，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。对程序进行编译优化是降低功耗的另一个有效途径。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

4、能够分折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【”1。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50％的能量消耗‘17】。当然，降低功耗是比改善性能的优化更为复杂的问题。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，任务到达时问和任务执行时间是实现系统低功耗设计的

5、重要参数‘2。1。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。4华中科技大学硕士学位论文=≈==========；===％==；———!==========一!嵌入式系统的低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益，国外发达国家很早就注重对嵌入式系统的低功耗设计，在我国对于嵌入式系统低功耗设计也正逐渐被重视起来。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，真正骜体全薤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121]o在

6、低功耗的电子系统设计中，尤其是移动设备，需要一个纵向的综合设计方案，从算法设计、系统体系结构到电路布线都需要仔细考虑到功耗因素。如果算法和硬件的设计考虑周到，嵌入式系统能够实现较低的功耗并且不会牺牲系统的性能‘2”。2．主要关键技术嵌入式系统低功耗的优化方法可以分为几个层次，自下而上分别是电路级、逻辑级、寄存器传输级、行为级、算法级和系统级【231。目前低层次(电路级和逻辑级)上的功耗优化方法已比较成熟，只是在具体实现上还有一些需改进的地方：而高层次(行为级、算法级和系统级)的功耗优化技术还处于研究阶段(24J。降低嵌入式系统的功耗涉

7、及到硬件设计、硬件选型、操作系统以及编译程序设计等诸多方面。对于手持式的iFone来说，低功耗设计的主要手段是选择合适的处理器、设计处理器的供电电路以及实现对外围器件的电源控制。当然，所有硬件特性的发挥都离不开嵌入式操作系统的支持，需要对嵌入式Linux在低功耗支持方面进行扩充和改造。从减少功耗的角度出发，处理器的选择除了要考虑封装、性能、工作电压等参数外，还要重点考虑处理器是否具有针对低功耗的工作模式，以及是否可以选择不同的时钟频率和工作电压，这些都是提高能量使用效率的有效支持。iFone设计时选择了IntelPXA255作为处理器

8、。它提供了可在线改变处理器工作频率和完善的电源管理功能，低功耗指标处于业界的领先地位。PXA255提供了多种时钟频率和工作电压的选择，同时提供了多种工作模式。如何选择适当的处理器速度和工作模式是本课题研究的重点。我们通过