嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)及測試實(shí)驗(yàn)分析

1 概述

對(duì)于當(dāng)今的各種電子設(shè)備尤其是嵌入式系統(tǒng)來說，功耗是一個(gè)非常重要的問題。系統(tǒng)部件產(chǎn)生的熱量和功耗成比例，為解決散熱問題而采取的冷卻措施進(jìn)一步增加了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。為了得到最好的結(jié)果，在設(shè)計(jì)初級(jí)階段就要盡可能地考慮低功耗問題。

由于現(xiàn)在大部分?jǐn)?shù)字系統(tǒng)都利用CMOS電路，因此，本文提出的思路和探討領(lǐng)域，主要指CMOS電路。在CMOS電路里，功耗由下式?jīng)Q定：

Ptotal=Pstatic+Pshort+CswfV2dd+Pslitching （1）

式（1）中，第一項(xiàng)靜態(tài)功耗Pstatic是由漏電流消耗的，是在電路沒有正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的，對(duì)于CMOS電路來說，這個(gè)功耗很??；后三項(xiàng)稱為動(dòng)態(tài)功耗，Pshort是在門電路輸出狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)兩個(gè)CMOS晶體管同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生的；第三項(xiàng)稱為開關(guān)功耗，和時(shí)鐘頻率f、供電電壓Vdd和開關(guān)電容Csw有關(guān)；最后一項(xiàng)Pglitching是由電路中不需要的開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的。從式（1）可以看出，在所有的功耗中，能夠改進(jìn)的部分只有開關(guān)功耗。在處理器上綁定任務(wù)將影響開關(guān)電容，選擇不同處理器將影響頻率和供電電壓。本文所考慮的系統(tǒng)模型包括了常用的大部分結(jié)構(gòu)：硬件部件（ASICs）、微處理器（DSPs、微控制器）、存儲(chǔ)器和內(nèi)部互連網(wǎng)絡(luò)。這里互連網(wǎng)絡(luò)不指一條總線，而是指多條總線和點(diǎn)到點(diǎn)的連接，甚至無線連接。

目前，對(duì)硬件的功耗估計(jì)可以在不同的抽象級(jí)別上進(jìn)行：從慢而精確的門級(jí)功耗估計(jì)到快但不夠精確的算法級(jí)估計(jì)。折衷速度和功耗、采用流水線技術(shù)、關(guān)斷某些部件、減少開關(guān)活性等方法都是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的。
軟件低功耗是一個(gè)較新的問題，主要是針對(duì)移動(dòng)通信、無線通信等數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）應(yīng)用提出來的。軟件功耗優(yōu)化通常包括以下技術(shù)：存儲(chǔ)器存取最小化、機(jī)器指令的最佳選擇、開發(fā)處理器的低功耗特性等。軟件功耗估計(jì)可以在兩個(gè)基本的抽象級(jí)別上進(jìn)行：在低級(jí)別上，門級(jí)指令處理系統(tǒng)中利用現(xiàn)有的門級(jí)和功耗估計(jì)工具；在高級(jí)別上，則利用每類指令或指令序列的執(zhí)行頻率來估計(jì)功耗。后一級(jí)方法不夠準(zhǔn)確，但比前一種速度快。

由于消耗在總線上的功耗占系統(tǒng)功耗的很大一部分，因此，低功耗通信綜合也作為低功耗軟件優(yōu)化的一部分。在總線上，通常是通過采用冗余碼編碼來減少開關(guān)活性從而降低功耗的。
?

2 協(xié)同設(shè)計(jì)流程

在典型的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，與功耗相關(guān)的問題通常是在系統(tǒng)劃分成硬件和軟件兩部分后才開始考慮的。雖然這種方法可以降低功耗，但真正地面向低功耗的協(xié)同設(shè)計(jì)過程則需要從劃分開始就要考慮功耗，如圖1所示。從設(shè)計(jì)流程初期就要考慮功耗和控制的原因，可以用下面的例子說明：假定個(gè)過程選擇用軟件來完成，軟件的執(zhí)行時(shí)間較長，但輸出結(jié)果所用的通信時(shí)間短，這樣就導(dǎo)致了高帶寬，并占用總線。但同樣的過程如果用硬件來實(shí)現(xiàn)，硬件的執(zhí)行速度更快，從而允許更長的通信時(shí)間，并可以選擇低功耗的總線編碼策略。這樣就降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗（因?yàn)橥ㄐ胚^程非常耗能）。

2.1 輸入和輸出

如圖1所示，協(xié)同設(shè)計(jì)過程的輸入是系統(tǒng)規(guī)范，也就是通常所說的行為方式。通過設(shè)計(jì)得或自動(dòng)工具軟件可以將這個(gè)規(guī)范分解成通過虛擬通道通信的子過程。通過軟硬件劃分，其中一些子過程由硬件綜合來實(shí)現(xiàn)，而另外的子過程將通過運(yùn)行在處理器上的軟件來完成。虛擬通道通常由總線、點(diǎn)到點(diǎn)的連接、共享存儲(chǔ)器或其它類型的內(nèi)部通信過程來實(shí)現(xiàn)。

到目前為止，研究者已提出了一些系統(tǒng)劃分方法。每一個(gè)子過程是一個(gè)通過自動(dòng)化工具從系統(tǒng)規(guī)范中提取的基本模塊。個(gè)基本模塊是一個(gè)指令序列，除了第一條或最后一條指令外，不允許跳入和跳出這個(gè)指令序列。虛擬通道僅用來完成與進(jìn)程的上下文（例如存活期的變量）的通信。這種分解方法產(chǎn)生了大量小的子過程和密集的通信過程。另一種方法是由設(shè)計(jì)者明確地指明各個(gè)過程以及各模塊之間通信的數(shù)據(jù)。用后一種方法，子過程的數(shù)量得到了控制，但卻失去了增強(qiáng)并行性的潛能。將系統(tǒng)分解成通過通道相互通信的子系統(tǒng)以后，就可以得到圖2所示的任務(wù)圖。

圖2中，每一個(gè)字節(jié)是一個(gè)子過程。每一條邊是有向邊，表示各過程之間的數(shù)據(jù)依賴性。從節(jié)點(diǎn)出發(fā)的有向邊只有滿足特定條件時(shí)才能完成通信。不同的有向邊進(jìn)入同一任務(wù)節(jié)點(diǎn)（稱為聯(lián)合節(jié)點(diǎn)），表示此任務(wù)要從不同的過程接收數(shù)據(jù)并且只有在數(shù)據(jù)接收完畢后才開始執(zhí)行過程。