分區(qū)/分時(shí)供電技術(shù) - 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的低功耗技術(shù)

　1.5 分區(qū)/分時(shí)供電技術(shù)

　　對(duì)于一個(gè)嵌入式系統(tǒng)來說， 系統(tǒng)的工作量隨時(shí)都在改變， 不可能所有的組件任何時(shí)刻都在工作， 故可采用分區(qū)/分時(shí)供電技術(shù)來降低功耗，可利用開關(guān)控制電源供電單元， 在某一部分電路處于休眠狀態(tài)時(shí)， 關(guān)閉此部分電路的供電電源，僅對(duì)工作部分組件供電。其供電原理如圖1所示。

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圖1 分區(qū)分時(shí)技術(shù)原理圖。

　　2 軟件的低功耗設(shè)計(jì)

　　2.1 優(yōu)化編譯器

　　在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， 軟件起著引導(dǎo)硬件活動(dòng)的主導(dǎo)作用， 也對(duì)系統(tǒng)的能量消耗有很大的影響。過去幾年的研究主要是針對(duì)硬件部分， 而現(xiàn)在， 研究設(shè)計(jì)人員則更注重通過優(yōu)化軟件部分來降低系統(tǒng)功耗。要想對(duì)軟件進(jìn)行優(yōu)化， 必須選擇正確的編譯方法， 以降低程序執(zhí)行的功耗。編譯器的作用就是將由高級(jí)語言編寫的程序(如C/C++等)， 翻譯成能夠在目標(biāo)機(jī)上執(zhí)行的程序。同時(shí)， 也使得程序的可讀性和可維護(hù)性得到保證，提高了軟件開發(fā)的效率。另外， 將程序移植到新的目標(biāo)機(jī)上， 也只要用相應(yīng)的編譯器對(duì)程序進(jìn)行重新編譯即可， 而不必重新編寫程序。但是， 在某些情況下， 這樣會(huì)影響程序的執(zhí)行性能。編譯器的有效性以及它所生成的代碼效率， 可以與匯編語言代碼相比較得出。事實(shí)上， 在一個(gè)程序中， 每一條指令都將激活微處理器中的某些硬件部件， 因此， 正確選擇指令可以降低處理器的功耗。通過優(yōu)化編譯器可以進(jìn)行有效的軟件低功率化， 從而生成效率更高的代碼， 以降低嵌入式設(shè)備的功耗。

　　2.2 采用軟件代替硬件電路

　　一般的硬件電路都存在功耗， 所以， 可以把具有數(shù)據(jù)運(yùn)算處理功能的硬件電路用軟件來實(shí)現(xiàn)， 例如濾波電路， 指數(shù)、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路、抗干擾電路等。但是， 任何事情都不是絕對(duì)的， 部分硬件電路到底能否通過軟件來實(shí)現(xiàn)， 此外， 還要考慮處理大量的軟件數(shù)據(jù)， 需要提高處理器的性能和功耗等， 同時(shí)要考慮這是否合算。

　　2.3 中斷驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)

　　把整個(gè)嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)成多個(gè)事件來處理， 而在系統(tǒng)上電初始化時(shí)， 主程序只進(jìn)行系統(tǒng)的初始化(包括寄存器、外部設(shè)備等)， 初始化完成后， 進(jìn)入低功耗狀態(tài)， 然后把CPU控制的設(shè)備都接到中斷輸入端上。當(dāng)外設(shè)發(fā)生了一個(gè)事件，即產(chǎn)生中斷信號(hào)， 使CPU退出節(jié)電狀態(tài)而進(jìn)入事件處理， 事件處理完成后， 繼續(xù)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。

　　在嵌入式程序設(shè)計(jì)時(shí)， 一個(gè)程序到底使用中斷方式還是查詢方式， 對(duì)于一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用并不那么重要， 但在其低功耗特性上卻相去甚遠(yuǎn)。使用中斷方式， 微控制器可以什么都不做， 甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式； 而在查詢方式下， 微控制器必須不停地訪問寄存器， 這會(huì)帶來很多額外的功耗， 所以， 用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)， 除非系統(tǒng)本身已要求采用查詢方式， 否則應(yīng)盡可能采用中斷方式進(jìn)行編程。

　　2.4 定時(shí)器延時(shí)程序的采用

　　當(dāng)軟件設(shè)計(jì)中需要用到延時(shí)程序時(shí)， 設(shè)計(jì)人員應(yīng)多使用定時(shí)器延時(shí)方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。這是因?yàn)椋?通常嵌入式處理器進(jìn)入待機(jī)模式后， CPU會(huì)停止工作， 而定時(shí)器可以正常工作， 由于定時(shí)器的功耗很低， 故當(dāng)處理器調(diào)用延時(shí)程序后， 嵌入式系統(tǒng)便可進(jìn)入待機(jī)模式， 此時(shí)定時(shí)器可以繼續(xù)工作， 定時(shí)時(shí)間一旦結(jié)束， 即可喚醒CPU重新進(jìn)入工作， 這樣不但降低了CPU功耗， 還提高了CPU的工作效率。而如果采用查詢方式， 則CPU會(huì)不斷地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行查詢， 由于CPU時(shí)刻工作，這樣不但效率低下， 同時(shí)處理器功耗也很大。

　　2.5 算法優(yōu)化

　　優(yōu)化算法多出現(xiàn)在嵌入式DSP中， 采用大量現(xiàn)成的公式和計(jì)算方法， 可以節(jié)省系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算的時(shí)間， 減少功耗； 另外， 在嵌入式系統(tǒng)允許的誤差情況下， 也可以近似用比較簡(jiǎn)單的函數(shù)來取代復(fù)雜函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算， 從而減少功率消耗。

　　3 結(jié)束語

　　嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面， 在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)， 低功耗的設(shè)計(jì)并非是單方面的因素， 需要綜合考慮各種可能的原因、條件和狀態(tài)， 應(yīng)把硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)綜合起來進(jìn)行考慮， 并對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的分析， 同時(shí)對(duì)多種可能的方案和方法進(jìn)行計(jì)算和總結(jié)， 這樣才可能取得較為滿意的效果， 最終達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。

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