嵌入式系统中的零功耗设计

发布时间:2008/5/27 0:00:00 访问次数:348

前言

嵌入式应用系统中，普遍存在功耗浪费现象。如果将人比作一个嵌入式应用系统，人在行走时，系统处于连续运行状态，眼睛负责观察前方路况。通常在人行走的全过程中，眼睛都处于连续工作状态，然而，在实际行走中，并不要求对前方路况信息连续捕捉。假如眼睛对前方路况捕捉时间小于 0.5 s，人体盲目行走每米的横向偏差为0.05 m，当路面允许最大横向偏差不大于1 m时，人行走在 20 m范围内可不需要眼睛捕捉新的路况信息。这样，人便可以闭上眼睛走路，只在每行走20 m的周期中，将眼睁开0.5 s即可。当行走速度为1 m/s时，行走过程中眼睛的有效工作时间仅为0.5 s/20 s = 2.5 %。由此看来，通常行走时，眼睛的"功耗"有97.5 %都浪费了。

1 零功耗系统设计的基本概念

1.1 系统中的理想功耗

一个电子系统要运行就会有功耗。如果系统运行时没有任何功耗浪费，那么它的功耗就是系统的理想功耗。

在一个嵌入式应用系统中，由于普遍存在cpu高速运行功能和有限任务处理要求的巨大差异，会形成系统在时间与空间上巨大的无效操作。如果在系统运行中，所有时间、空间上的无效操作都没有功耗，那么系统便处于理想功耗运行之下。

1.2 应用系统中的有效操作时空占空比

如果将系统运行中，所有时间、空间上的有效操作和无效操作采用时空占空比来量化描述，那么，有效操作占空比定义为：有效操作与系统全部运行操作之比。在一个具体应用系统中，有效操作的时空占空比有：宏观时域占空比、宏观区域占空比、微观时域占空比和微观区域占空比。以下以一个嵌入式应用系统--热流量计为例来描述这4个占空比的概念。

1.2.1 有效操作的宏观时域占空比tdc

tdc定义为系统运行时域上有效操作时间opact与全部运行时间optot之比。由于嵌入式应用中cpu的高速运行与有限任务操作的差异，常常会形成有效操作高谐小量的时域占空比现象。例如，在热流量计中，要采集、处理的物理参数有热水的入口温度、出口温度和流量计数值。由于这些参数的大惯量特征，在满足采集精度要求下，一次采集循环周期为10 min，然而系统完成一次采集、处理、存储、送显示的时间只需2 s，如图1所示。那么，该系统的有效操作时间opact为 2 s，全部操作循环时间optot为600 s，系统宏观有效操作时域占空比为

1.2.2 有效操作的宏观区域占空比sdc

有效操作宏观区域占空比定义为：系统运行时，有效操作区域sact与系统全部区域stot之比。由于系统运行时，并不是所有电路单元都处于有效操作状态，特别是在单cpu系统中，所有功能单元都是在cpu的轮流控制下运行，致使系统的各部分电路轮流进入有效操作状态。例如，在热流量计中，在有效操作时域opact中，除cpu外，采集、处理、存储、送显示的4个主体操作是轮流进行的，如图2所示。如果按等区域原则最粗略地估算，可以算出该系统宏观有效操作的区域占空比为在系统硬件设计中，如果有意识地按任务进程，对系统电路进行粗略的划分，形成相对独立任务运行空间，这样便可较准确地计算出sdc值。

1.2.3 有效操作的微观时空占空比

在数字系统中，进入有效操作状态的一个完整电路中，也不是每一时刻、每一电路单元都处于有效操作状态，同样可以估算出微观有效操作的时域占空比和区域占空比。

(1)有效操作的微观区域占空比μsdc

μsdc定义为：有效操作电路单元中，平均有效操作区域aact与全部电路单元区域atot之比。例如，热流量计在执行数据存储任务，对eeprom进行存储操作时，eeprom的三个操作区域，即输入缓冲电路、转换控制电路和eeprom阵列轮流进入有效操作状态。设这三个区域有效操作功耗相等，那么，热流量计在数据存储时，存储器eeprom的微观有效操作区域占空比为