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嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，普遍存在功耗浪費(fèi)現(xiàn)象。
1 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本概念
1.1 系統(tǒng)中的理想功耗
一個(gè)電子系統(tǒng)要運(yùn)行就會(huì)有功耗。如果系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)沒有任何功耗浪費(fèi)，那么它的功耗就是系統(tǒng)的理想功耗。
在一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，由于普遍存在CPU高速運(yùn)行功能和有限任務(wù)處理要求的巨大差異，會(huì)形成系統(tǒng)在時(shí)間與空間上巨大的無效操作。如果在系統(tǒng)運(yùn)行中，所有時(shí)間、空間上的無效操作都沒有功耗，那么系統(tǒng)便處于理想功耗運(yùn)行之下。
1.2 應(yīng)用系統(tǒng)中的有效操作時(shí)空占空比
如果將系統(tǒng)運(yùn)行中，所有時(shí)間、空間上的有效操作和無效操作采用時(shí)空占空比來量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)全部運(yùn)行操作之比。在一個(gè)具體應(yīng)用系統(tǒng)中，有效操作的時(shí)空占空比有：宏觀時(shí)域占空比、宏觀區(qū)域占空比、微觀時(shí)域占空比和微觀區(qū)域占空比。以下以一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)--熱流量計(jì)為例來描述這4個(gè)占空比的概念。
1.2.1 有效操作的宏觀時(shí)域占空比Tdc
Tdc定義為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)域上有效操作時(shí)間OPact與全部運(yùn)行時(shí)間OPtot之比。由于嵌入式應(yīng)用中CPU的高速運(yùn)行與有限任務(wù)操作的差異，常常會(huì)形成有效操作高諧小量的時(shí)域占空比現(xiàn)象。例如，在熱流量計(jì)中，要采集、處理的物理參數(shù)有熱水的入口溫度、出口溫度和流量計(jì)數(shù)值。由于這些參數(shù)的大慣量特征，在滿足采集精度要求下，一次采集循環(huán)周期為10 min，然而系統(tǒng)完成一次采集、處理、存儲(chǔ)、送顯示的時(shí)間只需2 s，如圖1所示。那么，該系統(tǒng)的有效操作時(shí)間OPact為 2 s，全部操作循環(huán)時(shí)間OPtot為600 s，系統(tǒng)宏觀有效操作時(shí)域占空比為
有效操作宏觀區(qū)域占空比定義為：系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，有效操作區(qū)域Sact與系統(tǒng)全部區(qū)域Stot之比。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，并不是所有電路單元都處于有效操作狀態(tài)，特別是在單CPU系統(tǒng)中，所有功能單元都是在CPU的輪流控制下運(yùn)行，致使系統(tǒng)的各部分電路輪流進(jìn)入有效操作狀態(tài)。例如，在熱流量計(jì)中，在有效操作時(shí)域OPact中，除CPU外，采集、處理、存儲(chǔ)、送顯示的4個(gè)主體操作是輪流進(jìn)行的，如圖2所示。如果按等區(qū)域原則最粗略地估算，可以算出該系統(tǒng)宏觀有效操作的區(qū)域占空比為在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，如果有意識(shí)地按任務(wù)進(jìn)程，對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行粗略的劃分，形成相對(duì)獨(dú)立任務(wù)運(yùn)行空間，這樣便可較準(zhǔn)確地計(jì)算出Sdc值。
在數(shù)字系統(tǒng)中，進(jìn)入有效操作狀態(tài)的一個(gè)完整電路中，也不是每一時(shí)刻、每一電路單元都處于有效操作狀態(tài)，同樣可以估算出微觀有效操作的時(shí)域占空比和區(qū)域占空比。
(1)有效操作的微觀區(qū)域占空比μSdc
μSdc定義為：有效操作電路單元中，平均有效操作區(qū)域Aact與全部電路單元區(qū)域Atot之比。例如，熱流量計(jì)在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，對(duì)EEPROM進(jìn)行存儲(chǔ)操作時(shí)，EEPROM的三個(gè)操作區(qū)域，即輸入緩沖電路、轉(zhuǎn)換控制電路和EEPROM陣列輪流進(jìn)入有效操作狀態(tài)。設(shè)這三個(gè)區(qū)域有效操作功耗相等，那么，熱流量計(jì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，存儲(chǔ)器EEPROM的微觀有效操作區(qū)域占空比為
系統(tǒng)中，所有處于有效操作的電路，真正的有效操作只表現(xiàn)為"0"、"1"狀態(tài)的變化操作。因此，電路有效操作的微觀時(shí)域占空比μTdc定義為：電路的動(dòng)態(tài)時(shí)間ATact與全部時(shí)間ATtot之比。例如，在熱流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測(cè)量的邏輯控制電路要根據(jù)溫頻傳感器輸出的信號(hào)脈沖，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量控制。這些操作控制都出現(xiàn)在脈沖的變化沿。設(shè)溫頻傳感器輸出的信號(hào)脈沖頻率為20 kHz，測(cè)控邏輯狀態(tài)變化時(shí)間小于100 ns，可以估算出，在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測(cè)量控制邏輯電路有效操作的微觀時(shí)域占空比為
1.3 高諧小量時(shí)空占空比與零功耗設(shè)計(jì)
1.3.1 實(shí)際系統(tǒng)中高諧小量的時(shí)空占空比
在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU高速處理能力與實(shí)際任務(wù)操作狀態(tài)以及系統(tǒng)中的微觀靜、動(dòng)態(tài)的巨大差異，導(dǎo)致大量無謂等待狀態(tài)，形成有效操作的時(shí)、空占空比現(xiàn)象。上述4類占空比現(xiàn)象，在許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中都會(huì)存在，而且這4類占空比形成乘積效應(yīng)。按照上述估算，熱流量計(jì)總體有效操作的時(shí)空占空比OPdc為
從這里揭示了一個(gè)驚人的現(xiàn)狀，即在一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，有效操作只是全部運(yùn)行操作的高諧小量。這一特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)零功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。零功耗系統(tǒng)按照有效操作時(shí)空占空比實(shí)行精細(xì)的功耗管理，非有效操作期間沒有功耗，從而使系統(tǒng)功耗與原來相比達(dá)到趨于零的效果。早期提出零功耗概念，并實(shí)現(xiàn)零功耗設(shè)計(jì)的器件有AMD公司的Flash存儲(chǔ)器Am29SL800B。早先Am28F800B的功耗量級(jí)為100時(shí)，改進(jìn)工藝并降低電壓后的Am29SL800B為20，而實(shí)現(xiàn)零功耗管理的Am29SL800B的功耗則小于0.1?？梢娏愎南到y(tǒng)設(shè)計(jì)在降低系統(tǒng)功耗中的潛力。
1.3.2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求
在不少實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，雖然有效操作時(shí)空占空比不會(huì)是熱流量計(jì)那樣顯著的高諧小量，但一般都會(huì)有0.1 %的量級(jí)。如果能按照系統(tǒng)有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細(xì)的功耗管理，使無效操作期間沒有功耗，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零功耗。
零功耗是一個(gè)工程概念。零功耗系統(tǒng)是指該系統(tǒng)中沒有任何功耗浪費(fèi)。因此，零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下：
(1)系統(tǒng)中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關(guān)斷(沒有功耗)。
(2)系統(tǒng)具有按有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細(xì)功耗管理的能力，能做到"多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰干誰吃"的系統(tǒng)功耗分配。
(3)對(duì)于系統(tǒng)無法企及的微觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動(dòng)特性來滿足功耗分配，即電路動(dòng)態(tài)過程有功耗，電路靜態(tài)時(shí)沒有功耗。
2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)
零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，是按系統(tǒng)中有效操作時(shí)空占空比來實(shí)現(xiàn)按需分配的功耗管理。不僅實(shí)現(xiàn)宏觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，還要實(shí)現(xiàn)微觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理。因此，實(shí)現(xiàn)零功耗管理必須有相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)，這就是CMOS工藝的電路基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)的智能化控制以及具有功耗管理功能的外圍器件。這些技術(shù)基礎(chǔ)可以滿足零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)基本要求。
2.1 CMOS工藝的電路基礎(chǔ)
數(shù)字電路從TTL工藝轉(zhuǎn)向CMOS工藝，對(duì)電路功耗特性產(chǎn)生最大影響的是靜動(dòng)態(tài)(靜態(tài)是"0"、"1"的恒定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)是"0"、"1"的跳變狀態(tài))功耗特性的根本差異。正是這一差異誕生了電路系統(tǒng)功耗管理的概念與技術(shù)。圖3是TTL電路和CMOS電路靜動(dòng)態(tài)功耗特性。圖3(a)為TTL功耗特性，圖3(b)為CMOS電路功耗特性。TTL電路為電流注入型電路，靜動(dòng)態(tài)電流相近；而CMOS電路為壓控型電路，只在動(dòng)態(tài)下才消耗電流，靜態(tài)電流為泄漏電流，理想情況下靜態(tài)電流為零。根據(jù)數(shù)字電路的有效操作態(tài)只表現(xiàn)為電路的動(dòng)態(tài)情況，那么，只有CMOS電路才能提供按有效操作時(shí)空占空比實(shí)施功耗管理，而且指出了CMOS電路功耗管理的基本原則就是系統(tǒng)的最大靜態(tài)化設(shè)計(jì)。對(duì)于功耗管理無法企及的微觀時(shí)空占空比，CMOS電路靜、動(dòng)態(tài)特性能自動(dòng)保證非有效操作時(shí)的極微功耗(電路泄漏形成的功耗)狀態(tài)。
嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)功耗管理能力，表現(xiàn)在能保證按照系統(tǒng)有效操作時(shí)空占空比來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)空的最大靜態(tài)化運(yùn)行。其中核心的技術(shù)是系統(tǒng)中時(shí)鐘與信號(hào)流的控制與調(diào)度。在系統(tǒng)無效操作的時(shí)間和區(qū)域上，終止時(shí)鐘運(yùn)行或進(jìn)入，禁止開關(guān)、脈沖信號(hào)進(jìn)入。
2.3 外圍器件功耗管理功能的保證
零功耗系統(tǒng)中所有的器件，包括處理器及外圍器件，都必須具備功耗管理功能。目前，CMOS的各類微處理器都具備有十分完善的低功耗模式。CMOS外圍器件中，有一部分具有自動(dòng)的零功耗管理，不必微處理器的介入；許多CMOS外圍器件都具有外部引腳控制或編程控制的功耗管理功能。
2.4 電源管理的輔助技術(shù)
由于CMOS電路的靜動(dòng)態(tài)功耗特性，CMOS電路的功耗管理遵循供電狀態(tài)下的最大靜態(tài)化原則。無論系統(tǒng)中的主器件還是外圍器件的功耗管理都與指令控制相匹配，不必顧慮功耗轉(zhuǎn)換的過渡過程。但當(dāng)系統(tǒng)中不可避免地出現(xiàn)一些非CMOS功耗特性電路(如傳感器供電電路)或一些模擬電路時(shí)，這些電路的功耗管理則須依靠電源供電管理方式。即這些電路退出有效操作時(shí)，關(guān)閉電源；待進(jìn)入有效操作前開啟供電線路。由于電路的時(shí)間常數(shù)，這些電路電源達(dá)到額定工作值或者進(jìn)而啟動(dòng)時(shí)鐘工作時(shí)，會(huì)有一個(gè)過渡期，不能即開即用，會(huì)給應(yīng)用管理程序設(shè)計(jì)帶來問題。
當(dāng)前，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)已走向全面CMOS化，嵌入式處理器中提供了由指令管理的多種低功耗模式，外圍器件設(shè)置有許多低功耗控制功能，加上具有可局部關(guān)斷功能的分布式供電體系以及電源總線開關(guān)等，為零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了十分現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)。
3 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本內(nèi)容
按照最大靜態(tài)化設(shè)計(jì)的基本原則，零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須有最小量有效操作時(shí)空占空比的任務(wù)規(guī)劃，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的硬件支持電路，并實(shí)現(xiàn)按有效操作時(shí)空占空比的功耗管理軟件支持。因此，零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)貫穿了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程。
3.1 最小量有效操作時(shí)空占空比的任務(wù)規(guī)劃
理論上講，每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都具有高諧小量的有效操作時(shí)空占空比；但若不認(rèn)真將有效操作與無謂等待精細(xì)區(qū)分，而將有效操作與無效操作混在一起，就不可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大靜態(tài)化管理。
(1)斷續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)最小時(shí)空占空比的任務(wù)安排
對(duì)于可斷續(xù)運(yùn)行的系統(tǒng)，無論任務(wù)集中還是分散，都要努力尋求有效操作最小量的時(shí)空占空比。例如，熱流量計(jì)中確定了采集、處理、存儲(chǔ)、送顯示4個(gè)任務(wù)時(shí)間TOP后，任務(wù)的循環(huán)周期Ttot將決定宏觀時(shí)域占空比的大小，即Tdc=TOP/Ttot。Ttot受溫度變化率及測(cè)量精度的限制。在確知熱水溫度變化率和溫度采集精度要求下，使Ttot最大來獲得最小的有效操作時(shí)域占空比。
(2)連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)的非連續(xù)化
將連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)中的某些連續(xù)運(yùn)行任務(wù)分離出來，實(shí)行非連續(xù)化，這樣可以把連續(xù)系統(tǒng)的主體任務(wù)實(shí)現(xiàn)有效操作的占空比。例如，熱流量計(jì)實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，因?yàn)樗煌ｎD地采集流量傳感器的流量脈沖QP。如果把流量脈沖采用極微功耗，獨(dú)立的計(jì)數(shù)器不停地計(jì)數(shù)，熱流量計(jì)只在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中順便讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)熱流量計(jì)主體的最小量時(shí)域占空比。
(3)系統(tǒng)中各項(xiàng)操作任務(wù)相關(guān)區(qū)域的最小化與獨(dú)立化
為保證系統(tǒng)能獲取最小有效操作的宏觀區(qū)域占空比，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)區(qū)域的功耗管理，必須將每個(gè)操作任務(wù)限定在一個(gè)獨(dú)立的最小區(qū)域內(nèi)，使不同操作任務(wù)的電路相對(duì)獨(dú)立。例如，時(shí)鐘、信號(hào)通道可單獨(dú)關(guān)閉；采用電源管理的區(qū)域設(shè)置單獨(dú)的電源總線開關(guān)或采用I/O驅(qū)動(dòng)供電等。
3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中的功耗管理電路設(shè)計(jì)
(1)滿足宏觀時(shí)空占空比功耗管理的獨(dú)立電路設(shè)計(jì)。當(dāng)按照最大限度宏觀時(shí)空占空比來管理電路時(shí)，必須將這些電路設(shè)計(jì)成能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)靜態(tài)化或?qū)崟r(shí)關(guān)閉的電路單元和相應(yīng)的管控電路。
(2)選擇滿足零功耗管理的外圍器件。選擇能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)零功耗管理的器件或可功耗管理的外圍器件。
(3)最小值守電路設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)微功耗、高可靠性的開機(jī)值守、喚醒值守或運(yùn)行值守電路。
(4)用電管理電路設(shè)計(jì)。在許多情況下，對(duì)于分時(shí)多區(qū)操作的獨(dú)立電路單元，采用分布式帶關(guān)斷功能的供電電路來實(shí)現(xiàn)功耗管理是十分有效的。例如，熱流量計(jì)在采集完溫度傳感器的輸出后立即將傳感器電源關(guān)閉。
3.3 功耗管理的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
零功耗系統(tǒng)完全是在CPU的控制下完成功耗管理的，因此，它是依據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)硬件支持下，通過功耗管理的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用軟件要遵循系統(tǒng)有效操作的時(shí)空占空比來及時(shí)關(guān)閉或喚醒相應(yīng)的電路單元。
(1)MCU、處理器、SOC本身的零功耗管理。它包括內(nèi)核的零功耗管理和核外功能單元的零功耗管理。
(2) 外圍器件的零功耗管理。它包括外圍器件的功耗管理或電源供電管理。
4 零功耗系統(tǒng)與最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
零功耗系統(tǒng)是基于功耗管理的低功耗系統(tǒng)，但只有零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗。因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，有效操作時(shí)系統(tǒng)的功耗過大以及非有效操作時(shí)系統(tǒng)的功耗遠(yuǎn)不為零，都會(huì)影響實(shí)際系統(tǒng)的最小功耗水平；而降低系統(tǒng)有效操作和非有效操作時(shí)空中的功耗水平，屬于傳統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。它是根據(jù)電路功耗特性參數(shù)來實(shí)現(xiàn)滿足低功耗設(shè)計(jì)要求，在很多情況下并沒有功耗管理的參與。例如，根據(jù)CMOS電路動(dòng)態(tài)功耗特性，其動(dòng)態(tài)功耗與供電電壓、變換頻率、負(fù)載電容等參數(shù)有關(guān)。降低系統(tǒng)供電電壓，降低時(shí)鐘頻率，減少硬件電路設(shè)計(jì)制作時(shí)的分布電容等，這樣可以減少有效操作電路中的功耗水平；減少CMOS電路的靜態(tài)泄漏電流的措施，則可降低非有效操作時(shí)空電路上的功耗。只有充分實(shí)施了傳統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)和零功耗設(shè)計(jì)，才能獲得系統(tǒng)的最小功耗。
結(jié)束語
(1)零功耗系統(tǒng)是一種工程概念。在這種系統(tǒng)中沒有功耗浪費(fèi)，所必需的系統(tǒng)功耗為傳統(tǒng)電路功耗的高諧小量。
(2)零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于CMOS數(shù)字電路靜、動(dòng)態(tài)功耗特性的最大靜態(tài)化的功耗管理設(shè)計(jì)。
(3)在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，按系統(tǒng)有效操作的時(shí)空占空比，實(shí)現(xiàn)按需供給的功耗管理能最有效地、大幅度地降低系統(tǒng)功耗。
(4)對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)與零功耗設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最小功耗--微功耗。
(5)系統(tǒng)的微功耗以及便攜化，使系統(tǒng)供電變得十分靈活與多樣化，從而使傳統(tǒng)的系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)。
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