嵌入式系统低功耗设计教案.pptx

会计学1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低功耗嵌入式系统应用实例第1页/共43页嫦娥二号中的低功耗系统嫦娥二号中的低功耗系统第2页/共43页计算机功耗计算机功耗n n功耗：设备输入功率和输出功率的差额功耗：设备输入功率和输出功率的差额 n n计算机是一种电子设备，正常工作必定产生功耗计算机是一种电子设备，正常工作必定产生功耗 n n独立工作的嵌入式系统，如果没有输出功率，其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消耗的电能最终都转化热量热量热量热量 n n过高的功耗会带来过高的功耗会带来散热、能源浪费、电磁干扰、散热、能源浪费、电磁干扰、散热、能源浪费、电磁干扰、散热、能源浪费、电磁干扰、稳定性降低、安全隐患稳定性降低、安全隐患稳定性降低、安全隐患稳定性降低、安全隐患等一系列问题等一系列问题 第3页/共43页嵌入式系统低功耗设计的重要性嵌入式系统低功耗设计的重要性 n n低功耗设计可延长电池供电系统低功耗设计可延长电池供电系统持续工作时间持续工作时间持续工作时间持续工作时间 n n低功耗设计是延长系统使用低功耗设计是延长系统使用寿命寿命寿命寿命、提高系统、提高系统稳定稳定稳定稳定性的需要性的需要 n n低功耗设计降低系统的低功耗设计降低系统的散热散热散热散热要求要求 n n低功耗设计有利于低功耗设计有利于节约能源节约能源节约能源节约能源 n n低功耗设计可减少系统的低功耗设计可减少系统的电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射 n n低功耗设计可提高系统的低功耗设计可提高系统的安全性安全性安全性安全性 第4页/共43页计算机主板中的散热器计算机主板中的散热器第5页/共43页功耗类型功耗类型 n n静态功耗静态功耗静态功耗静态功耗：门电路的状态不发生翻转时，门电路：门电路的状态不发生翻转时，门电路的功耗，的功耗，CMOSCMOS门电路的静态功耗非常小门电路的静态功耗非常小n n动态功耗动态功耗动态功耗动态功耗：当门电路状态发生翻转时产生的功耗。：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负载电容的充/放电，产生较大功耗放电，产生较大功耗n n动态功耗是影响系统功耗的主要因素动态功耗是影响系统功耗的主要因素 第6页/共43页CMOS非门电路结构非门电路结构 n n当当V VININ=0V=0V时，时，T TNN截止，截止，T TP P导通，导通，V VOUTOUTVVDDDD，为，为高电平高电平n n当当V VININ=V=VDDDD时，时，T TNN导通，导通，T TP P截止，截止，V VOUTOUT0V0V，为，为低电平低电平 n nCMOSCMOS非门电路在静止状非门电路在静止状态下，总有一个态下，总有一个MOSMOS管管处于截止状态处于截止状态(nW(nW级功耗级功耗)n nCMOSCMOS门电路动态功耗包门电路动态功耗包括两个部分：电容充放括两个部分：电容充放电功耗、瞬时导通功耗电功耗、瞬时导通功耗 第7页/共43页CMOS门电路电容充放电门电路电容充放电功耗功耗Pturnn n当输入翻转为当输入翻转为“0”0”时，时，T TP P导通，电源通过导通，电源通过PMOSPMOS向负载电容充电向负载电容充电n n当输入翻转为当输入翻转为“1”1”时，负载电容通过时，负载电容通过T TNN向向地放电。地放电。n n随着随着CMOSCMOS门电路状态的改变，负载电容上门电路状态的改变，负载电容上不断发生充、放电过程，从而产生功耗，这不断发生充、放电过程，从而产生功耗，这就是就是电容充放电功耗电容充放电功耗电容充放电功耗电容充放电功耗 n n电容充放电引起的平均动态功耗电容充放电引起的平均动态功耗n n占门电路全部功耗的占门电路全部功耗的70%70%到到90%90%第8页/共43页CMOS门电路瞬时导通功耗门电路瞬时导通功耗Pshort n n实际应用中，转移曲线并不是理想的方形，实际应用中，转移曲线并不是理想的方形，BCDEBCDE时间不为零，零内阻的时间不为零，零内阻的MOSMOS管会在电源与地之间形管会在电源与地之间形成直接短路的现象成直接短路的现象 n n对大多数芯片，瞬时导通功耗占总动态功耗的对大多数芯片，瞬时导通功耗占总动态功耗的5%5%到到10%10%第9页/共43页电路功耗的组成电路功耗的组成n nP=PP=Pturnturn+P+PShortShort+P+PLeakageLeakage ：CMOSCMOS门电路总的平均动门电路总的平均动态功耗态功耗n n电容充放电功耗和瞬时导通功耗组成的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是主要因素，静态功耗的影响较小n n动态功耗是总功耗的主要部分，但静态功耗也是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不可忽视的一部分第10页/共43页电路系统功耗设计的基本原则电路系统功耗设计的基本原则 n n电源电压宜低不宜高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。n n时钟宜慢不宜快时钟宜慢不宜快，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。n n系统宜静不宜动系统宜静不宜动，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第11页/共43页系统级硬件功耗控制方法系统级硬件功耗控制方法 n n选择低功耗器件选择低功耗器件 n n采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式 n n充分利用器件的低功耗工作模式充分利用器件的低功耗工作模式 n n选择低功耗电源电路选择低功耗电源电路 n n分区分时供电分区分时供电 n n动态电压与频率调节动态电压与频率调节 n n其它硬件功耗控制方法其它硬件功耗控制方法 第12页/共43页选择低功耗器件选择低功耗器件n nCMOSCMOS器件具有低功耗、高输入阻抗的特点，广器件具有低功耗、高输入阻抗的特点，广泛采用泛采用CMOSCMOS器件可降低嵌入式系统功耗器件可降低嵌入式系统功耗 n n选择处理器时，不仅要关注其计算速度、接口和选择处理器时，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功能的多少，还要关注其功耗特性 n n选择存储器、接口控制器等器件时也要考虑功耗选择存储器、接口控制器等器件时也要考虑功耗的问题的问题 第13页/共43页采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式 功耗可以达到功耗可以达到100W200W左右左右 第14页/共43页采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式功耗功耗20W左左右右 第15页/共43页采用低功耗电路形式采用低功耗电路形式系统功耗可控制在系统功耗可控制在10W以内以内 第16页/共43页充分利用器件的低功耗充分利用器件的低功耗工作模式工作模式 n n从处理器，到各类接口控制、存储器，很多都有不同从处理器，到各类接口控制、存储器，很多都有不同的功耗模式的功耗模式n n软件控制软件控制S3C44B0XS3C44B0X时钟发生器是否向各个功能模块提时钟发生器是否向各个功能模块提供时钟，从而实现功耗的控制供时钟，从而实现功耗的控制 n nS3C44B0XS3C44B0X有有5 5种功耗模式：正常模式、慢速模式、停种功耗模式：正常模式、慢速模式、停机模式、机模式、IDLEIDLE模式、模式、SL IDLESL IDLE模式模式第17页/共43页选择低功耗电源电路选择低功耗电源电路 n n嵌入式系统需要直流供电。通常嵌入式系统需要直流供电。通常情况下，先由外部直流电源或电情况下，先由外部直流电源或电池提供初级的直流供电，在电路池提供初级的直流供电，在电路板上再用板上再用DC-DCDC-DC电源电路将输入电源电路将输入电压变换为电路需要的各种电压电压变换为电路需要的各种电压n nDC-DCDC-DC电源电路会产生功耗，电源电路会产生功耗，电电电电压转换效率压转换效率压转换效率压转换效率越低，功耗越大。在越低，功耗越大。在嵌入式系统的低功耗设计中，电嵌入式系统的低功耗设计中，电源电路自身的功耗是一个需要重源电路自身的功耗是一个需要重点考虑的因素点考虑的因素 直流电直流电源输入源输入第18页/共43页线性稳压电源原理线性稳压电源原理 n n缺点：缺点：缺点：缺点：效率低、功耗大、常需要散热效率低、功耗大、常需要散热n n优点：优点：优点：优点：稳定性高、纹波小、电磁兼容性能好、电路简稳定性高、纹波小、电磁兼容性能好、电路简单单第19页/共43页集成线性稳压器集成线性稳压器第20页/共43页DC-DC开关电源开关电源n nBoost升压型电源n nBuck降压型电源第21页/共43页Boost升压型电源变换电路原理升压型电源变换电路原理 n n当开关管导通时，二极管可防止电容对地放电，当开关管导通时，二极管可防止电容对地放电，输入电源对电感充电；当开关管断开时，电感存输入电源对电感充电；当开关管断开时，电感存储的电能向电容充电，使电容两端电压升高。如储的电能向电容充电，使电容两端电压升高。如果电感量、电容量足够大，开关管通断的过程不果电感量、电容量足够大，开关管通断的过程不断重复，可以在电容两端得到高于输入电压的电断重复，可以在电容两端得到高于输入电压的电压。压。Boost升压型电源变换电路升压型电源变换电路 第22页/共43页 Buck降压型电源变换电路降压型电源变换电路 n n通过开关管的通断，将输入直流电压变为方波，通过开关管的通断，将输入直流电压变为方波，再利用再利用LCLC滤波电路对方波进行滤波，得到比输滤波电路对方波进行滤波，得到比输入电压低的输出电压。输出电压与方波的占空比入电压低的输出电压。输出电压与方波的占空比及开关频率有关。及开关频率有关。Buck降压型电源变换电路降压型电源变换电路 第23页/共43页DC-DC开关电源特点开关电源特点 n n优点优点优点优点：效率可以达到：效率可以达到90%90%左右，不会象线性左右，不会象线性电源那样产生大量的热量电源那样产生大量的热量n n缺点缺点缺点缺点：电磁辐射，输出纹波较大，电路更复：电磁辐射，输出纹波较大，电路更复杂杂 第24页/共43页集成开关电源控制器集成开关电源控制器第25页/共43页嵌入式系统电源电路选择嵌入式系统电源电路选择n n输入、输出电压差距大，考虑开关电源输入、输出电压差距大，考虑开关电源n n电源功率大，考虑开关电源电源功率大，考虑开关电源 n n升压电源，要用开关电源升压电源，要用开关电源n n电流小、压差小、纹波要求高、价格低，考虑线电流小、压差小、纹波要求高、价格低，考虑线性电源性电源第26页/共43页分区分时供电分区分时供电 第27页/共43页典型手机的组成模块典型手机的组成模块第28页/共43页动态电压与频率调节动态电压与频率调节 n n数字电路的功耗与工作频率成正比、与工作电压数字电路的功耗与工作频率成正比、与工作电压的平方成正比，所以降低工作频率、降低工作电的平方成正比，所以降低工作频率、降低工作电压可明显降低功耗压可明显降低功耗 n n动态电压调节动态电压调节 (DVS(DVS，Dynamic Voltage Scaling)Dynamic Voltage Scaling)是是一种通过控制供电电压调整系统功耗的技术一种通过控制供电电压调整系统功耗的技术 n n动态电压与频率调节（动态电压与频率调节（DVFSDVFS，Dynamic Voltage Dynamic Voltage and Frequency Scalingand Frequency Scaling）第29页/共43页动态电压调节的条件动态电压调节的条件n n具有能对处理器负荷进行评估和预测的智能软件具有能对处理器负荷进行评估和预测的智能软件或硬件或硬件 n n电源管理模块支持电压调节，根据指令调节输出电源管理模块支持电压调节，根据指令调节输出电压，使处理器工作电压与其任务负荷相适应电压，使处理器工作电压与其任务负荷相适应 n n微处理器本身支持微处理器本身支持 DVS DVS 技术，可以在一定的电技术，可以在一定的电压范围内正常工作压范围内正常工作 第30页/共43页FAN5355可编程稳压器可编程稳压器 第31页/共43页动态电压与频率调节动态电压与频率调节 n n工作电压和工作频率的调节相互协调、同步进行，是实现处理器功耗动态管理的有效方法 第32页/共43页ARM处理器智能功耗管理处理器智能功耗管理IEM（Intelligent Energy Manager)AVS（Adaptive Voltage Scaling）Intel:SpeedStep 第33页/共43页其它硬件功耗控制方法其它硬件功耗控制方法 n n门控时钟：门控时钟：在寄存器的时钟网络上插入门控电路，产生一个消除寄存器不必要活动的控在寄存器的时钟网络上插入门控电路，产生一个消除寄存器不必要活动的控制信号，减少了电路中不必要的信号翻转，从而降低功耗制信号，减少了电路中不必要的信号翻转，从而降低功耗 n n接口电路的低功耗设计：接口电路的低功耗设计：上拉电阻的阻值尽可能大些；不用的上拉电阻的阻值尽可能大些；不用的CMOSCMOS输入输入引脚接到信号地或高电平；没必要的时候尽量不用信号驱动器；继电器、光引脚接到信号地或高电平；没必要的时候尽量不用信号驱动器；继电器、光耦、耦、LEDLED的驱动电路要避免长时间持续地消耗电流；等等的驱动电路要避免长时间持续地消耗电流；等等n n限制输入信号：限制输入信号：限制输入信号，减少数据量，有利于控制系统功耗限制输入信号，减少数据量，有利于控制系统功耗 第34页/共43页软件功耗控制方法软件功耗控制方法 n n采用低功耗优化的编译技术采用低功耗优化的编译技术 n n用用“中断中断”代替代替“查询查询”n n用用“宏宏”代替代替“子程序子程序”n n尽量减少处理器的计算量尽量减少处理器的计算量 n n减少系统的持续运行时间减少系统的持续运行时间 n n实现电源的管理实现电源的管理 第35页/共43页采用低功耗优化的编译技术采用低功耗优化的编译技术n n高级语言程序比专家级的汇编高级语言程序比专家级的汇编/机器语言程序执行速机器语言程序执行速度降低，也意味着功耗的增加度降低，也意味着功耗的增加 n n同一个程序，不同的编译器、或编译器不同的编译同一个程序，不同的编译器、或编译器不同的编译选项产生不同的指令序列产生不同的功耗选项产生不同的指令序列产生不同的功耗 n n通过优化编译器可以有效地降低嵌入式系统的功耗通过优化编译器可以有效地降低嵌入式系统的功耗n n编译器功耗优化的主要目标是在不降低或不明显降编译器功耗优化的主要目标是在不降低或不明显降低程序执行效率的情况下做到低程序执行效率的情况下做到最小化峰值功耗最小化峰值功耗最小化峰值功耗最小化峰值功耗、最最最最小化总的能量消耗小化总的能量消耗小化总的能量消耗小化总的能量消耗以及在以及在功耗功耗功耗功耗/性能间取得平衡性能间取得平衡性能间取得平衡性能间取得平衡 第36页/共43页用用“中断中断”代替代替“查询查询”n n中断方式，只有事件产生时，才引起中断，处理器中断方式，只有事件产生时，才引起中断，处理器在中断服务程序里对事件进行处理在中断服务程序里对事件进行处理 n n查询方式，处理器需要周期性主动地检测是否有事查询方式，处理器需要周期性主动地检测是否有事件发生，在事件发生时进行相关处理件发生，在事件发生时进行相关处理 n n中断方式下，无事件产生时，可以进入低功耗模式；中断方式下，无事件产生时，可以进入低功耗模式；而查询方式下，处理器必须执行相应软件代码，不而查询方式下，处理器必须执行相应软件代码，不停地检测相关寄存器状态以判断事件是否发生，从停地检测相关寄存器状态以判断事件是否发生，从而带来不必要的功耗而带来不必要的功耗 第37页/共43页用用“宏宏”代替代替“子程序子程序”n n宏与子程序都可以用一个名字定义一段程序，以简宏与子程序都可以用一个名字定义一段程序，以简化源程序的结构和设计化源程序的结构和设计 n n宏引用多少次，就相应扩展多少次，所以，使用宏宏引用多少次，就相应扩展多少次，所以，使用宏定义只是简化了源程序设计，不会减少目标程序的定义只是简化了源程序设计，不会减少目标程序的代码量代码量 n n子程序代码在目标程序中只出现一次，调用子程序子程序代码在目标程序中只出现一次，调用子程序是执行同一程序段，因此，目标程序也得到相应的是执行同一程序段，因此，目标程序也得到相应的简化简化 n n宏定义尽管占用的更多的存储空间，但提高了程序宏定义尽管占用的更多的存储空间，但提高了程序的执行效率，同时可以减少系统的功耗的执行效率，同时可以减少系统的功耗 第38页/共43页尽量减少处理器的计算量尽量减少处理器的计算量 n n用用查表代替计算查表代替计算查表代替计算查表代替计算 n n不过分追求计算精度不过分追求计算精度不过分追求计算精度不过分追求计算精度，避免，避免“过度过度”的计算的计算n n尽量尽量使用短数据类型使用短数据类型使用短数据类型使用短数据类型，在精度允许的情况下，使，在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数，得到近似的计算结果，用简单函数代替复杂函数，得到近似的计算结果，降低计算复杂度降低计算复杂度 n n通过通过减少需要处理的数据量减少需要处理的数据量减少需要处理的数据量减少需要处理的数据量，从而减少计算量，从而减少计算量 第39页/共43页减少系统的持续运行时间减少系统的持续运行时间 n n让任务的处理尽快完成，并在处理器空闲时，使让任务的处理尽快完成，并在处理器空闲时，使系统进入低功耗的待机模式，减少系统的持续运系统进入低功耗的待机模式，减少系统的持续运行时间行时间 n n在需要处理任务时，再用定时中断、外部中断等在需要处理任务时，再用定时中断、外部中断等方式将系统唤醒方式将系统唤醒 第40页/共43页实现电源的管理实现电源的管理 n n电源管理首先要硬件电路的支持，但对电源的管理电源管理首先要硬件电路的支持，但对电源的管理操作由软件来完成操作由软件来完成 n n高级电源管理（高级电源管理（APMAPM）是一种基于）是一种基于BIOSBIOS的系统电源的系统电源管理方案管理方案 n n高级配置与电源接口（高级配置与电源接口（ACPIACPI）是在）是在APMAPM基础上发展基础上发展起来的高级电源管理模式，是一种开放式的工业规起来的高级电源管理模式，是一种开放式的工业规范范 n n动态电源管理（动态电源管理（DPMDPM）是一种操作系统级别的电源）是一种操作系统级别的电源管理技术，可以在系统运行过程中动态地管理电源管理技术，可以在系统运行过程中动态地管理电源 第41页/共43页总结总结 计算机是软件控制下自动运行的电子设备，计算机是软件控制下自动运行的电子设备，硬件的低功耗设计是基础，软件在低功耗设计中硬件的低功耗设计是基础，软件在低功耗设计中是不或缺的环节。在一个设计合理的低功耗嵌入是不或缺的环节。在一个设计合理的低功耗嵌入式系统中，往往是软件控制着系统各个硬件部件式系统中，往往是软件控制着系统各个硬件部件（如处理器、存储器、外部控制器、总线等），（如处理器、存储器、外部控制器、总线等），在完成系统任务的前提下，在功能、性能和功耗在完成系统任务的前提下，在功能、性能和功耗间取得最佳的平衡间取得最佳的平衡 第42页/共43页