嵌入式系统的低功耗技术研究

第６卷第１期　实验科学与技术　・ｌ９・　嵌入式系统的低功耗技术研究　陈洪明　（绵阳职业技术学院，四川绵阳６２１０００）　摘要：嵌入式系统已经占据了电子系统的主导地位，其应用领域决定了它必须满足众多严格的设计约束。功耗约束就是其　中最重要的一个。文中介绍了低功耗技术的基础理论和发展趋势，并结合嵌入式系统应用对当前的低功耗研究的关键技术　做了相关分析。　关键词：嵌入式系统；ＣＭＯＳ电路；功耗评估；功耗模型；功耗优化　中图分类号：ＴＮ３８６；ＴＰ３６８．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—４５５０（２００８）０１—００１９—０４　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｌｏｗ——ｐｏｗｅｒ——ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＣＨＥＮ　Ｈｏｎｇ—ｍｉｎ　（Ｍｉａｎｙａｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｍｉｎｙａｎｇ　６２１０００，Ｃｈｉａｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｌｅａｄｉｎｇ　ｒｏｌｅ　ａｍｏｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｉｔｓ　ｓｐｅｃｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ａｓｋｓ　ｆｏｒ　ｉｔｓ　ｍｅｅｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｌｉｍｉｔｓ　ｉｔｓｅｌｆ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｗａｙｓ　ｏｆ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｅｍｅｎｔｓ．Ｉｎ　ｔｒｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｏｆ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ—ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｌｌ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ．ｓｏｍｅ　ｋｅｙ　ｌｏｗ　—ｐｏｗｅｒ—ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ；ＣＭＯＳ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｍｅｄａｌ；ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｍｉ－　ｚａｔｉｏｎ　１　引　言　以往对电子系统的研究主要集中于在满足功能　的能耗。不同的研究领域会针对研究侧重点的差异　具体选择使用哪个概念。　电子系统的能耗研究主要集中在３个方面：　（１）嵌入式系统的低功耗技术。嵌入式系统，　尤其是手持计算设备（例如移动电话）是功耗敏感　的领域。该领域的研究主要考虑了用于给系统提供　能量的电池系统受到重量和体积的严格，储能　能力有限的约束，必须进行电子器件的低功耗技术　研究。通过优化设备在单位时间内的能量消耗，来　尽可能多地延长有限电源情况下系统的使用时间。　（２）便携式设备的供电系统技术。便携式设　备（例如笔记本电脑）与嵌入式系统相比，对系统　的重量和体积的要求有所降低。因为便携式系统采　用的电子器件在电气性能等方面与嵌入式系统相　需求的前提下提高系统的性能。随着几十年来电子　技术的不断演进，特别是半导体电子器件的性能遵　循着摩尔定律以每ｌ８个月翻一番的速度快速增长，　电子系统的性能已经得到了极大的改善。目前，电　子系统设计者面临的新挑战是如何在保证功能和性　能的基础上尽可能地降低系统的能耗。　电子系统的能耗来源于系统内部的电子器件消　耗的电能。在这些电能被转换为系统需要的其他能　量形式的同时，有相当一部分电能转换为了热能。　这部分热能在电子系统中往往是没有用处的，而且　还会产生一些干扰，比如积聚过多的热量会导致电　子系统的工作温度升高，影响电子器件的电气性　能。传统的减少其影响的手段有利用散热系统等，　而低能耗技术则是从根本上解决这个问题的方法。　在能耗研究领域，有功耗（Ｐｏｗｅｒ）和能耗（Ｅｎ—　近，所以在该领域的能耗研究主要集中在研发高供　电能力的电池系统等，以提高系统的便携能力。　（３）桌面系统和大型机系统的散热技术。相　比较前两类电子系统，这类系统（如个人电脑）采　用的电子器件在工艺上（如器件采用的线宽）的要　求有所降低，功耗较小。同时它们往往有固定的供　电系统供给充足的电力，不必担心电源问题。这类　系统的特点是运行持续时间长，计算工作量大，所　以该领域的研究需要关注系统的能耗问题，主要是　ｅｒｇｙ）两个概念，其中功耗是指系统在单位时间内　收稿日期：２００７—１１—２８　作者简介：陈洪明（１９５２一），男，，副教授，主要从　事电气自动化方面的研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com ・２０・　实验科学与技术　２００８年２月　系统的散热技术。　合合适的功耗模型，最终得到整个系统的功耗和能　耗特征。　通过上面的分析可以看出，在当前主流的３大　类电子系统的能耗研究中，针对电子器件的研究主　要是针对嵌人式系统的低功耗技术。这也是嵌人式　系统领域当前的研究热点之一。　嵌人式系统和所有的主流计算系统一样，也是　层次化的，例如可以粗略地划分为硬件层和软件　层，还可以进一步细分，如图ｌ所示。功耗评估可　以在这多个层次上展开，高的仿真层次可以屏蔽掉　２嵌入式系统简介　嵌人式系统是执行特定任务的计算系统，它由　标准的或者自定义的硬件和软件构成。嵌人式系统　很多底层细节，所以效率高，但是相应的评估精度　会降低。在嵌人式系统的不同层次上进行仿真功耗　评估的时候，需要依赖对应层次的功耗模型。各个　层次都可以构建本层对应的功耗模型。但是无论哪　个层次，最终在应用执行时它们的功耗特征都是基　于最底层的硬件电路的，因为只有这些硬件电路是　在真正地消耗电能。　低　高　评　评　不同于桌面系统，它不是一个通用的计算系统，而　只是针对某一特定领域的应用进行高效实现。它功　能较为单一，但是效率高，成本低，开发周期短。　这许多优势使得嵌人式系统在人们的生活中占据了　越来越重要的地位，逐步被应用到军事、航空航　天、工业控制、仪器仪表、汽车电子，通信设备和　智能家电等领域。进人２ｌ世纪以来，嵌人式系统　每年带来的工业产值都高达数万亿美元。特别是最　近几年，在无线通信和网络技术的带动下，移动电　话、数字电视等产品的市场不断扩大，嵌人式系统　迎来了一个新的发展高潮…。　嵌人式系统往往需要满足体积小、重量轻的设　高级语言　汇编语言　ｌ软件　Ｉ　硬件　估　估　精　效　度　窒　系统软件　机器指令　微结构　数字逻辑　硬件电路　高　低　计约束，因此它不能够携带散热系统和大规模的电　源。为了能够减少热量对电子器件造成的损害，延　长系统的工作时间，嵌人式系统对系统功耗有着非　常严格的要求。嵌人式系统的低功耗技术已经成为　图１嵌入式系统层次划分　ＣＭＯＳ电路具有突出的低功耗特性，已经成为　了集成电路的主流工艺。当前的嵌人式系统所采用　的电子技术也大多是基于ＣＭＯＳ电路的，所以大量　了系统设计中的亟待完善的关键技术，引起了业界　和学术界的极大关注。　的功耗研究都要依赖于ＣＭＯＳ电路的功耗模型。　３．２　ＣＭＯＳ电路功耗模型　３嵌入式系统的低功耗技术　嵌人式系统低功耗研究的重点是使用什么样的　技术手段能够有效降低系统的电能消耗，从而减少　系统释放的热能。主要的研究内容有功耗的评估和　功耗的优化两个方面。功耗的评估要依赖于系统的　功耗模型。所谓功耗模型就是对系统功耗特征进行　ＣＭＯＳ电路功耗主要由动态功耗、短路功耗和　漏电流功耗三个部分组成，其中一般以动态功耗为　主，它占了电路总功耗的８５　一９０　］。　动态功耗是由各节点电容的充放电造成的，其　基本功耗模型如下：　Ｐ　。＝ＣＬｖｖＤ２ａｆ　（１）　抽取，并用数学关系式表示。功耗的优化是以评估　为基础的，只有能够对系统的功耗进行正确的评　估，才能够明确系统有否被有效地优化。　３．１功耗评估技术　最早期的功耗评估方法是直接测量法，将实测　数据结合物理学公式得到系统的能耗。虽然这种方　法可以直观地得到准确的数据，但是随着电子系统　式中，Ｃ　为负载电容，是线长和晶体管尺寸的函　数；Ａ为每周期电路平均跳变次数，称为翻转频　度，它与节点的充放电频率有关；ＶＤ。为供电电压，　厂为电路工作频率。　短路功耗是短路电流，　形成的，，　是当ＮＭＯＳ　和ＰＭＯＳ同时处于导通状态时，由电源到地形成的　通路造成的。短路电流出现在输人信号发生翻转　时，输人电压连续动态变化的瞬间。它的功耗模型　可以表示为：　Ｐ。　＝，目　ｖｖＤＡ　（２）　复杂度和精度的增加，直接测量法的适用范围已经　越来越小。当前主流的功耗评估方法是利用功耗评　估软件对电子系统进行仿真执行，在仿真过程中结　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６卷第１期　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　・２　１・　漏电流功耗是由电路处于稳定态时仍然存在的　漏电流　产生，又称为静态功耗。它可以表示为：　Ｐ　＝　ＶＤＤ　（３）　ｃＭ０ｓ电路级功耗有物理理论为依据，模型准　确度高，能够描述电子系统运行时的真实功耗特　征，是构建其他层次功耗模型的基础。　３．３功耗优化技术　功耗优化技术是用于降低系统功耗的技术。经　过多年的发展，目前已经有了很多行之有效的优化　方法，并已经在实际系统中采用，取得了很好的效　果。总的来说，嵌入式系统的功耗优化技术可以从　硬件和软件两个层次上开展研究。　３．３．１基于硬件的功耗优化技术　对照前文提到的ＣＭＯＳ功耗模型，基于硬件的　嵌入式系统功耗优化技术从以下３个方面进行：　（１）降低负载电容ｃ　：此类优化主要基于布　局布线等物理层设计，通过尽可能缩短布线长度来　达到降低电容的目的。　（２）降低电路翻转频度Ａ：这主要通过诸如缩　短相邻操作码的海明距离或减少操作码种类等编码　优化技术来达到；或采用时钟闸技术把电路划分为　多个时钟区域，在每个周期只开启需要执行的区　域，来减少电路翻转频度。　（３）降低供电电压ＶＤ。：由于功耗与电压的平　方成正比，降低电压获得的节能效果最为明显，这　也是电路工艺向深亚微米发展的主要动因之一。　基于硬件的功耗优化技术执行于系统的底层，　会对系统产生一定影响。如增加时钟闸电路会加大　时钟信号的偏移，就要求用更精确的定时分析和更　复杂的功能验证来保证设计的正确性和可靠性。　另外，由于动态功耗与供电电压之间存在着的　平方关系，电压调节被认为是最有效的减少处理器　功耗的方法。但是，由于受到ＣＭＯＳ电路的特性影　响，降低电压会延长操作的时间，减少系统所能操　作的最大时钟频率，其公式为：　（　—　ｈ　。　。　ｄ）。／Ｖ　（４）　式中，　是门槛电压；　是１～２之间的一个　常数。因为频率与电压之间存在的线性关系，电压　调节所能节约的功耗是以降低性能为代价来获得　的。这项技术可能会影响到系统的性能指标。更极　端的情况是虽然降低了功耗，但是由于系统运行时　间变长，导致完成特定任务的能耗反而增加。　３．３．２基于软件的功耗优化技术　研究表明，在较高层次（如软件层次）上进行　功耗优化会取得更好的效果。基于软件的功耗优化　技术包括使用低功耗的方法重新编写、编译程序，　使其在完成相同功能的情况下减少功耗等。软件功　耗优化技术新近才引起学术界的关注，目前比较成　熟的技术有以下２项：　（１）空闲时关闭资源的策略，即动态功耗管　理（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ＤＰＭ）。ＤＰＭ技术　被广泛应用在当今的电子系统中，如工业界普遍使　用的高级配置和电源接口（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＣＰＩ）标准。ＡＣＰＩ标准规定了　操作系统软件、硬件和基本输入输出系统（ＢＩＯＳ）　的接口，提供了处理器的电源管理功能。当操作系　统空闲时，ＡＣＰＩ允许操作系统将处理器置人低功　耗状态，不执行任何指令，但当它接收到来自应用　程序或系统器件的某种唤醒信号时，就能很快恢复　工作　引。　（２）动态电压调整（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｃａｌｉｎｇ，　ＤＶＳ）技术。ＤＶＳ技术利用功耗与电压之间的平方　关系，以降低性能为代价，来减少处理器的功耗，　并已涌现出很多产品化实例。ＤＶＳ技术虽然提供　了更为有效的功耗优化方法，但是也延长了任务的　执行时间，降低了系统性能。为了在减少能耗的同　时不影响用户的使用，动态电压调节技术需要在处　理器的执行期间有选择的降低电压。通常，嵌入式　系统并不总是以满负载运行，而是执行一个任务，　空闲一段时间，然后再执行下一个任务。如果能够　把降低电压所带来的性能损失用系统中的空闲时间　掩盖掉，也就是通过降低电压来完全使用空闲时　间，那么就能在维持系统输出性能的前提下，减少　它的能量消耗。　比较这２项技术，ＤＰＭ技术只是在系统空闲　时关闭处理器，并不能优化处理器的峰值功耗。而　ＤＶＳ技术能够在系统运行时根据处理器的温度，　调节电压来降低功耗，处理器的发热量，来提　高系统的可靠性，降低封装、冷却的成本。相比较　于ＤＰＭ技术，ＤＶＳ技术虽然延长了程序的执行时　间，但提供了更高的功　能耗效率。因此，动态　电压调节技术比动态功耗管理是更优化的方法。　４结束语　伴随着嵌入式系统在电子系统领域的应用越来　越广泛，针对嵌入式领域的低功耗技术研究也越来　越深入。目前，国际国内针对低功耗技术的研究主　（下转第７３页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 第６卷第１期　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｌｍｏ］ｏｇｙ　・７３・　素质提高”协调发展的教育理念和以能力培养为核　心的实验教学观念。实验教师在实验过程中应该当　好“导师”，变实验“辅导”为“引导”，实施以“学　高学生素质”的教学思想，提高教学质量和教学效　率，必须建立完善合理的考核机制，让学生在严格　管理的环境下，逐步养成学习的自觉性。　实验成绩由抽查、小测、报告批改和期末考试　四部分构成。通过抽查和小测，可以了解学生的预　习情况和对实验的了解程度，以及学生阶段性的学　习情况，如：理论知识、实验能力等是否已经达到　生为主体，教师为主导”的自主学习模式，引导学　生自主获取知识，运用所学知识解决实验中的问　题。在实验教学中进行启发性教学，鼓励学生　观察问题、思考问题、分析问题和解决问题。只有　这样才能在实验教学的各个环节、各个层次培养学　生的学习兴趣，锻炼学生的动手能力和激发学生的　创新意识。　４．２打造全面开放的教学模式　既定要求；通过对实验报告的批改，考查学生对实　验过程、实验方法、数据分析的掌握程度；期末考　试采用现场考试的形式，抽签决定考试内容。试卷　分操作题和问答题两大部分：操作题考查学生的实　验方案设计、元器件参数选择、电路安装调测、仪　表设备使用、数据测量处理、实验结果分析等方面　的综合能力；问答题主要考查学生对实验基本知　识、实验技能、仪表使用等方面的掌握程度。　在传统的实验教学中，学生按班级在相同的时　间完成相同的实验内容，教师对实验结果进行验　收，这样做的弊端很多。首先，教师忙于验收，辅　导的时间相对减少，教师的作用本末倒置；其次，　学生为了应付老师的验收，往往只注重结果不注重　过程，学习效果差。开放式实验教学是培养创新人　６结束语　才的有效途径，有利于学生的个性思维发展和创新　能力的培养，学生可以根据自己的专业、能力和爱　好，选择相应的实验，也可以将自己的创意带到实　验室来实现。开放式实验教学为学生创造了自主学　习和实践的条件，营造了自主实践的气氛和压力，　培养了学生“探索、提出问题、分析问题和解　决问题”的习惯。学生由“被动式”实验转变为“主　动探索式”实验，他们有足够的时间来修正实验方　案、研究实验现象、分析实验结果。开放式实验可　以发展学生的个性和潜质，激发学生的创造力，达　实验教学改革是一项长期的、艰巨的系统工　程，需要不懈的努力和奋斗，实验教学改革任重道　远。我们应该不断转变教育思想、更新教育观念，　进一步深化实验教学改革，创造有利于创新能力培　养的实验教学环境，培养高素质的创新型人才。　参考文献　［１］张彪．建立创新型实践教学平台［Ｊ］．实验室研究与　探索，２００５，２４（９）：６４—６５．　［２］龚仁喜，孟小碧．创新型人才培养与实验教学改革　的探索与实践［Ｊ］．实验技术与管理，２００６，２３（７）：　１５７—１６１．　到提高实践能力和综合素质的目的。　５　建立完善合理的考核机制　为在实践教学中推行“培养创新人才、全面提　（上接第２１页）　估效率之间的权衡。我们后续的研究工作将更关注　要集中在功耗优化技术。因为嵌入式系统是软硬件　于构建针对嵌入式系统领域的功耗模型，并以此为　基础开展功耗优化技术的研究。　参考文献　［１］　Ｍａｋｉｍｏｔｏ　Ｔ，Ｓａｋａｌ　Ｙ．Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆｌｏｗ　ｅｗｅ￣ｅｌｐｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　协同工作的用于解决特定应用问题的系统，所以当　前对功耗优化技术的研究在硬件和软件两个方面同　时展开。硬件方面进行功耗优化的技术基础是对　ＣＭＯＳ电路电气特性的研究，软件方面则主要集中　在针对具体应用实现利用系统软件进行能量消耗管　理。功耗的优化需要依赖功耗的评估。虽然目前已　经有多个不同层次上的功耗模型用于功耗评估，但　是这方面的工作还比较欠缺，主要是评估精度与评　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｆｕｔｕｒｅ叩ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　２００３　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｌｏｗ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ．Ｓｃｏｕｌ，Ｋｏｒｅａ：ＩＥＥＥ，２００３：２～５．　［２］　王暹辉．高级配置和电源接口ＡＣＰＩ标准介绍［Ｊ］．电　子技术应用，１９９８（１２）：２１—２３．