嵌入式系统低功耗技术及应用
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摘要摘要：嵌入式系统是为满足某个特定领域内的需求而开发的。在全球倡导绿色经济的大背景下，对嵌入式系统向低功耗方向发展提出了更高的要求。介绍了嵌入式系统节能降耗技术，阐述了嵌入式硬件的低功耗技术和嵌入式软件的低功耗技术。
关键词关键词：低功耗；嵌入式系统；节能降耗
DOIDOI：10.11907/rjdk.151858
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）011012802
基金项目基金项目：
作者简介作者简介：刘少华（1983-），男，辽宁朝阳人，辽宁省朝阳市文化产业办公室副主任，研究方向为计算机应用；王昊（1968-），女，辽宁锦州人，辽宁工业大学电子与信息工程学院教授，研究方向为嵌入式开发。
0引言
嵌入式系统是一种专用计算机系统，是为了满足某个特定领域内的需求而开发的，这就导致和其它计算机系统相比，嵌入式系统在开发和应用的过程中有着更为严苛的要求，使其在存储、成本以及空间等方面受到一定的限制[1]。嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器。该系统具有体积小、应用灵活且功能强大的优点。近年来，随着网络化、数字化的日益普及，嵌入式系统已经在医疗卫生、工农业生产、日常消费电子以及交通运输等领域得到了广泛应用。功耗是嵌入式产品的一个重要性能指标，它对产品的能耗、产品的设计尺寸、设备的稳定性以及应用领域都有着重要的影响，本文对低功耗嵌入式系统进行了探讨。
1嵌入式硬件低功耗技术
随着电脑硬件性能的不断提升，功耗也随之越来越大，所以在嵌入式系统的设计中，首先考虑的就是降低功耗。
1.1集成电路功耗分析
动态与静态功耗共同组成了集成电路功耗。其中，动态功耗由短路功耗和开关功耗组成，当输入信号的方波不理想时，信号在上升及下降过程中会造成附加的短路功耗，电路中的电容充放电则会形成开关功耗。动态功耗又称为Pa的动态功耗，是在集成电路的稳定状态转向另一个稳定状态的过程中形成的。动态功率可以用表达式体现：假设CMOS电路的电容是CL，CL表示的是PMOS管在O到H状态转变过程的电压与电量的比值[2]。
另一方面，静态功率由静态直流功耗、漏电流功耗组成。其中，当电路处于稳定状态时，电源到地的过程中，由于不同的泄露电流使得电路产生了静态功耗，形成静态直流功耗。漏电流功耗是亚阈值电流、反向偏压电流所形成的，当电路处于静止状态时，源级和漏极之间会产生电流，就是亚阈值电流，亚阈值电流是漏电流研究中的热点。
1.2嵌入式处理器低功耗设计
处理器是集成电路的典型代表，处理器的低功耗设计主要包括器件级低层次设计和系统级高层次设计。
（1）超标量RISC处理器。嵌入式微处理器是通用计算机中的CPU演变而来的。嵌入式微处理器具有32位以上的处理器，性能比较好。与通用微处理器相比较，嵌入式微处理器具有高性价比、功耗低、面积小以及极其有效的实时中断响应等特点。在单发指令RISC处理器的基础上，超标量RISC处理器采用几个流水执行部件，使得指令执行的并行度得到了极大提高。
（2）门控时钟。门控时钟产生的是时钟网络功耗，它属于动态功耗，功耗优化需要降低时钟网络功耗。研究表明，降低时钟的工作频率是不能达到降低时钟网络功耗的目的的，但是，当应用门控时钟来切断一些时钟网络时，就能够降低功耗。这是因为使用门控时钟时，不会将使用工艺复杂化，同时还能降低面积。门控时钟的优点是：时序电路转换成另一种状态时，一些触发器是不变的，这就造成电路会产生门控信号，这些信号会对主时钟与触发器通路阻断，触发器由于不受到时钟触发，因此可以降低功耗[4]。
1.3外围设备低功耗设计
众所周知，在系统运行中，一些外围设备会产生大量功耗，为了降低功耗，在选择外围设备时，要尽量选择那些功耗较低的设备。此外，还可以通过增加外围设备的方法，控制外围设备的功耗。
（1）选用低功耗的显示器。显示器是人与机器沟通的重要界面，液晶显示器由于其具有一系列的优点得到了广泛应用。和传统显示器相比，液晶显示器具有以下优点：①液晶显示器的使用环境更加广泛，在强烈的太阳光下也可以清楚显示；②显示质量高，画面效果好；③液晶显示面积大、体积小，一般为平板式显示，使用很方便[5]。
（2）接口驱动电路的低功耗设计。在设计低功耗接口电路时，不仅要考虑选择静态电流比较低的外围芯片，还要对上拉电阻/下拉电阻的选取以及对悬空脚的处理等因素进行考虑。
对上/下拉电阻的选择：一般情况下选择上拉电阻时，都没有对其进行非常细致的计算，显得非常随意。如果上拉电阻过小，就会造成大量的电流在这个电阻上白白消耗掉。所以，在选择上/下拉电阻时，应该考虑尽可能选择阻值较大的电阻。
对悬空脚的处理：在悬空脚的处理中，主要考虑CMOS器件的悬空脚处理。由于CMOS器件的悬空脚在输入端的阻抗很高，如果处理不好就会造成系统的CPU不能进入休眠状态，还可能会出现一些其它故障，所以正确处理悬空脚的办法就是把还没有使用到的输入端接到VCC。
2嵌入式软件低功耗技术
2.1嵌入式操作系统
嵌入式系统主要由嵌入式软件和硬件两部分组成。嵌入式系统中的软件部分主要通过驱动硬件进行工作，而嵌入式系统中的硬件部分主要通过供电系统作为其驱动能源。所以，也可以将嵌入式系统的节能降耗技术划分成嵌入式硬件低功耗技术及嵌入式软件低功耗技术[6]。
对嵌入式软件来说，嵌入式操作系统是支持其应用的关键部分，嵌入式操作系统主要负责对一些软件模块进行管理，主要包括：对处理器的分配，管理中断处理，对任务调度进行管理以及分配存储器。低功耗嵌入式操作系统和一般的嵌入式操作系统相比较而言，低功耗的嵌入式操作系统增加了功耗策略模块，可以为嵌入式系统提供不同种类的功耗管理策略，满足系统不同的应用需求，选择最佳的管理策略。在嵌入式系统中，嵌入式微处理器属于系统中的重要资源。所以在低功耗嵌入式系统中，对微处理器进行管理有着非常重要的作用。微处理器的功耗模式主要分为3种：空闲模式、工作模式和休眠模式。当微处理器处于工作模式时，系统的功耗最大，这主要是因为CPU以及系统中所有外围设备处于负荷运行状态。当没有任务或外部事件发生时，就把系统切换到空闲模式。系统进入空闲模式后，启动idle定时器。如果在超时处理时有事件到来，就进入休眠模式。 嵌入式硬件低功耗技术主要从硬件自身出发，通过对制作材料、电池以及创新工艺等方面进行节能降耗。由于制作材料的低功耗受限于材料的更新换代，所以在构建嵌入式系统时，要注意选择那些低功耗材料。和专用器件相比，分离器件的体积和功耗都比较大，所以从分离器件的应用场合和设计上来说，在选择专用器件时，要选择集成度较高的才行。电池在追求硬件低功耗中作用很大，尤其是对移动设备，待电时间的长短直接影响系统的优劣，所以可以采用电源缩放技术，以此降低嵌入式系统的功耗。
2.2编译优化
对于像C语言程序这样的一些高级语言来说，需要通过编译程序的优化，才能成为机器语言被人们使用，编译器就是起此作用的。很多情况下，将高级语言解读成低级的机器语言会影响到程序的执行性能，这就需要使用编译器，通过其优化得到执行效率更高的代码。编译器实现优化的办法主要有两种：一种是通过降低控制通路上操作的数量来减少电路的活动性，另一种是减少程序的执行时间，还可以通过降低I/O的次数减少系统的功耗。除此之外，还可以通过压缩编码的方法对I/O数据压缩，以此减少I/O的频度。
2.3应用软件编写
软件在低功耗系统中是非常重要的，但是却常常不被人们重视。在嵌入式应用软件的设计过程中，如果巧妙使用一些软件，对降低系统功耗有着非常大的作用。比如，通过合理使用寄存器变量来减少系统的功耗。在嵌入式程序设计中，合理使用寄存器变量，可以在很大程度上减少程序的执行时间。由于寄存器的读写速度要比内存高，所以如果把变量定义成寄存器变量，那么系统在执行程序时，就只会在需要使用这个变量时才会访问CPU的寄存器。
参考文献：
[1]周宽久，迟宗正，西方.嵌入式软硬件低功耗优化研究综述[J].计算机应用研究，2010，27（2）：423428.
[2]刘桂荣.嵌入式系统低功耗软件技术的研究与探索[J].咸宁学院学报，2012，32（8）：158159.
[3]姚伟.嵌入式系统低功耗软件技术研究[J].计算机技术与发展，2011，21（1）：110114.
[4]杨敬杰，杨骏.探讨嵌入式系统中低功耗的设计理念[J].电脑编程技巧与维护，2011，12（2）：132133.
[5]宋彦，郭兵，沈艳.嵌入式系统低功耗的软件实现方案[J].单片机与嵌入式系统应用，2011，23（9）：99100.
[6]李伟.嵌入式系统的低功耗设计策略[J].煤炭技术，2010，19（10）：8990.
责任编辑（责任编辑：杜能钢）
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