嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)分析與實(shí)現(xiàn)

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1、華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文通過平衡負(fù)載和流水線操作來補(bǔ)償[14】，但兩者之間仍然要保持一定的比例關(guān)系。為平衡處理器性能和處理器功耗之間的關(guān)系，高性能嵌入式處理器大都提供多種時(shí)鐘頻率和工作電壓的選擇，以最大限度的節(jié)約能耗。如：IntelPXA255處理器允許處理器的時(shí)鐘頻率在100MHz至IJ400MHz之間變化，與時(shí)鐘頻率對(duì)應(yīng)的工作電壓在O．85V到1．65V之間變化。外圍設(shè)備的電能消耗也是低功耗設(shè)計(jì)必須考慮的因素。對(duì)外圍器件而言，低功耗CMOS器件是較好的選擇，也就是選擇有較低工作電壓、低晶振頻率以及較低時(shí)鐘速度的器件¨”。特別是具有

2、低功耗模式的外圍器件，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)需要處理時(shí)，它們能夠自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而減少功耗。對(duì)于沒有低功耗模式的外圍器件，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源控制電路，使外圍器件在不工作時(shí)切斷電源，以減少無效功耗【l“。實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是軟件低功耗設(shè)計(jì)。談到低功耗技術(shù)，大多人都會(huì)認(rèn)為這是微電子和體系結(jié)構(gòu)等硬件工作的事情。事實(shí)上，在微處理器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有相當(dāng)大的一部分低功耗技術(shù)研究空間是硬件無法涉足的，只有通過軟件技術(shù)才能得到解決[1”。軟件的低功耗設(shè)計(jì)通常是在編譯器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序三個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)

3、的全部軟、硬件資源的分配、調(diào)度工作，控制并協(xié)調(diào)并發(fā)活動(dòng)【18】。嵌入式操作系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)目前集中在可變電壓技術(shù)和動(dòng)態(tài)功耗管理的實(shí)現(xiàn)【19】?？勺冸妷杭夹g(shù)通過評(píng)估系統(tǒng)的工作狀況，調(diào)整嵌入式處理器的工作速度和電壓來節(jié)約能耗；動(dòng)態(tài)功耗管理則是選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將處理器置入睡眠狀態(tài)。另一方面，面向低功耗的任務(wù)調(diào)度也是研究的熱點(diǎn)，它通過對(duì)任務(wù)的執(zhí)行順序和時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器或外設(shè)的集中使用，減小系統(tǒng)的無效功耗時(shí)間。對(duì)程序進(jìn)行編譯優(yōu)化是降低功耗的另一個(gè)有效途徑。在編譯時(shí)對(duì)功率和能量的優(yōu)化技術(shù)是對(duì)硬件和操作系統(tǒng)低功耗優(yōu)化的有效補(bǔ)充，編譯器具有

4、能夠分折整個(gè)應(yīng)用程序行為的能力，它可以對(duì)應(yīng)用程序的整體結(jié)構(gòu)按照給定的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行重新構(gòu)造【”1。利用編譯器對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化和變換，對(duì)降低系統(tǒng)能量消耗有重要的作用。僅通過對(duì)應(yīng)用程序的指令功能均衡優(yōu)化和降低執(zhí)行頻率就有可能比優(yōu)化前節(jié)省50％的能量消耗‘17】。當(dāng)然，降低功耗是比改善性能的優(yōu)化更為復(fù)雜的問題。此外，軟件的低功耗設(shè)計(jì)也離不開應(yīng)用程序的配合，如果應(yīng)用程序本身能夠提供它運(yùn)行所需要的一些參數(shù)，如對(duì)運(yùn)行時(shí)間和空間的需求，則可以幫助操作系統(tǒng)更合理地設(shè)置系統(tǒng)的工作狀態(tài)。在某些嵌入式系統(tǒng)中，任務(wù)到達(dá)時(shí)問和任務(wù)執(zhí)行時(shí)間是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的

5、重要參數(shù)‘2。1。任務(wù)執(zhí)行是否具有周期性也是軟件低功耗設(shè)計(jì)中的重要參考量。4華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文=≈==========；===％==；———!==========一!嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)可以創(chuàng)造很高的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，國外發(fā)達(dá)國家很早就注重對(duì)嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，在我國對(duì)于嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)也正逐漸被重視起來。然而，由于國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)起步較晚，目前國內(nèi)嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的水平還不太高，而且大多停留在追求局部、片面的低功耗設(shè)計(jì)的層次上，真正驁?bào)w全薤的嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)理論還沒有得到完全的推廣與應(yīng)用121]o在

6、低功耗的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，尤其是移動(dòng)設(shè)備，需要一個(gè)縱向的綜合設(shè)計(jì)方案，從算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)到電路布線都需要仔細(xì)考慮到功耗因素。如果算法和硬件的設(shè)計(jì)考慮周到，嵌入式系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較低的功耗并且不會(huì)犧牲系統(tǒng)的性能‘2”。2．主要關(guān)鍵技術(shù)嵌入式系統(tǒng)低功耗的優(yōu)化方法可以分為幾個(gè)層次，自下而上分別是電路級(jí)、邏輯級(jí)、寄存器傳輸級(jí)、行為級(jí)、算法級(jí)和系統(tǒng)級(jí)【231。目前低層次(電路級(jí)和邏輯級(jí))上的功耗優(yōu)化方法已比較成熟，只是在具體實(shí)現(xiàn)上還有一些需改進(jìn)的地方：而高層次(行為級(jí)、算法級(jí)和系統(tǒng)級(jí))的功耗優(yōu)化技術(shù)還處于研究階段(24J。降低嵌入式系統(tǒng)的功耗涉

7、及到硬件設(shè)計(jì)、硬件選型、操作系統(tǒng)以及編譯程序設(shè)計(jì)等諸多方面。對(duì)于手持式的iFone來說，低功耗設(shè)計(jì)的主要手段是選擇合適的處理器、設(shè)計(jì)處理器的供電電路以及實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍器件的電源控制。當(dāng)然，所有硬件特性的發(fā)揮都離不開嵌入式操作系統(tǒng)的支持，需要對(duì)嵌入式Linux在低功耗支持方面進(jìn)行擴(kuò)充和改造。從減少功耗的角度出發(fā)，處理器的選擇除了要考慮封裝、性能、工作電壓等參數(shù)外，還要重點(diǎn)考慮處理器是否具有針對(duì)低功耗的工作模式，以及是否可以選擇不同的時(shí)鐘頻率和工作電壓，這些都是提高能量使用效率的有效支持。iFone設(shè)計(jì)時(shí)選擇了IntelPXA255作為處理器

8、。它提供了可在線改變處理器工作頻率和完善的電源管理功能，低功耗指標(biāo)處于業(yè)界的領(lǐng)先地位。PXA255提供了多種時(shí)鐘頻率和工作電壓的選擇，同時(shí)提供了多種工作模式。如何選擇適當(dāng)?shù)奶幚砥魉俣群凸ぷ髂Ｊ绞潜菊n題研究的重點(diǎn)。我們通過