嵌入式系统低功耗设计研究

关 键 词： 低功耗； 动态电源管理； ＰＸＡ２５５
中图分类号： ＴＰ３１６
Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ
ＹＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ ｔａｏ， ＰＡＮ Ｘｉａｎｇ－ ｆｅｎｇ， ＬＩＵ Ｊｉｎ－ ｊｉｎ （ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｅｎａｎ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００１）
除 了 ＬＣＤ 背 光 ， 系 统 在 其 他 电 路 中， 也 可 采 用 了 分 区／分 时 供电设计。硬件电路的实现方法以及电源开关控制方法与 ＬＣＤ 背光相同。
（ ２） 利用芯片的低功耗工作模式。许多外围器件都有低功
图 ３ ＬＣＤ 背光电源控制电路
耗的工作模式， 设计中充分利用这些芯片自身的特点， 控制系统 的功耗。
（ ２） 工作模式的变换。微处理器 ＰＸＡ２５５ 有四种工作模式：
运 行（ Ｒｕｎ） 模 式 、快 速（ Ｔｕｒｂｏ） 模 式 、空 闲（ Ｉｄｌｅ） 模 式 和 睡 眠
（ Ｓｌｅｅｐ） 模式。微处理器 ＰＸＡ２５５ 可以在四种不同的工作模式之间
进行转换。通过动态改变微处理器的时钟频率、关闭不使用的功能
（ ３） 利用微处理器 ＧＰＩＯ 引脚为外围 器 件 供 电 可 以 利 用 微 处理器 ＰＸＡ２５５ 的 ＧＰＩＯ 引脚直接为外部设备提供电源。这种设 计的前提是微处理器 ＧＰＩＯ 的驱动能力足以驱动外部设备。这种 设计方法的优点是节省电源控制电路（ 晶体管和场效应管） ， 从 而降低控制电路的功耗。
动 态 电 源 管 理 是 由 软 件 、微 处 理 器 、外 围 设 备 等 一 起 构 成 的 系统问题。因此， 系统的低功耗设计不仅与硬件设计有关， 软件 对于系统的功耗也有很大的影响。也就是说， 硬件提供了低功耗 的机制， 需要由包括操作系统在内的软件来发挥它的效能。本文 仅是从硬件的角度， 给出降低系统功耗的措施。
图 ２ ＰＸＡ２５５ 在不同模式下的功耗 图 ２ 给 出 了 微 处 理 器 ＰＸＡ２５５ 工 作 在 不 同 模 式 下 的 功 耗 。 由图 ２ 可见， 微处理器 ＰＸＡ２５５ 工作在快速模式或者运行模式
下的功耗， 比工作在空闲模式或睡眠模式下的功耗大得多。降低 功耗的原则就是尽可能减少快速模式和运行模式的工作时间， 尽可能延长空闲模式或睡眠模式的工作时间。因此， 在没有可执 行的任务的时候， 微处理器 ＰＸＡ２５５ 将工作在空闲模式或睡眠 模式下。然后通过相应的中断或唤醒信号， 微处理器恢复到运行 模式， 处理响应的事件。一旦任务完成， 微处理器马上进入到空 闲模式或睡眠模式， 从而降低微处理器的功耗。
作 者 简 介 ： 杨 洪 涛（ １９６９－ ） ， 男 ， 实 验 师 ， 硕 士 ， 主 要 研 究 方 向 ： 控制工程；
潘向峰（ １９７６－ ） ， 男， 助教， 硕士， 主要研究方向： 通信与信息系 统。
门的输出电容 ＣＬ 进行充电和放电所消耗的功率 代 表 由 门 完 成
的有用功。每次输出跳变的能量如式（ １） ， 而短路
（ １） 分区／分时供电设计。采用分区／分时供电设计， 就是对 电源进行分割， 利用晶体三极管和场效应管作为电源开关控制 系统各个部分的电源。在微处理器 ＰＸＡ２５５ 处于空闲或睡眠模 式时， 或者外部设备空闲时， 关闭外围设备的电源， 从而降低系 统的功耗。
彩色 ＬＣＤ 是便携式设备必用的， 其背光的功耗在系统功耗 中所占比例较大， 因此， 设备一旦空闲， 必须立即将背光关闭， 以 降低功耗。图 ３ 是 ＬＣＤ 背光电源控制电路。利用晶体三极管和 场效应管作为电源开关， 控制电源向 ＬＣＤ 背光供电。ＬＣＤ－ Ｂａｃｋ－ Ｏｎ／Ｏｆｆ 控制信号接到微处理器 ＰＸＡ２５５ 的 ＧＰＩＯ 引脚。当系统处 于空闲或睡眠模式时， ＬＣＤ－ Ｂａｃｋ－ Ｏｎ／Ｏｆｆ 信号为低电平使晶体管 和场效应管截止， 停止向 ＬＣＤ 背光提供电源。当系统处于运行 模式或者快速模式时， ＬＣＤ－ Ｂａｃｋ－ Ｏｎ／Ｏｆｆ 信号为高电平使晶体管 和场效应管导通， 向 ＬＣＤ 背光提供电源。如此有效的控制 ＬＣＤ 的背光， 提高能量的利用率， 降低 ＬＣＤ 背光的功耗。
（ ３） 时钟 单 元 的 管 理 。ＰＸＡ２５５ 微 处 理 器 提 供 了 多 种 控 制 器 ， 如 ： ＬＣＤ、Ｉ２Ｃ、ＭＭＣ、ＵＳＢ、ＡＣ９７、ＢＴＵＡＲＴ （ 蓝 牙 串 口 ） 、 ＦＦＵＡＲＴ（ 全功能串口） 、ＳＴＵＡＲＴ（ 标准串口） 等。复位后控制器 的时钟处于等待状态， 即使控制器没有处于工作状态， 仍然会消 耗电流。因此， 当控制器空闲时， 可以关闭其时钟以及切断该功
件等一起构成的系统问题。下面以微处理器 ＰＸＡ２５５ 为例， 从硬 件的角度出发， 给出降低系统功耗的措施。 ２．１ ＰＸＡ２５５ 的动态电源管理
微处理器的功耗在系统总功耗中占有很大的比例， 因此选 择合适的微处理器并进行有效的电源管理， 对于系统功耗的大 小有重要影响。
（ １） 选择合理的电压与频率配比。 由 式（ １） 可 以 看 到 ， ＣＭＯＳ 电 路 中 的 功 耗 与 电 路 的 时 钟 频 率呈线性关系， 与电源电压呈二次平方关系。因此， 降低微处理 器内核电压和工作频率， 是一条降低功耗的可行之路。微处理器 厂商一般都会推荐电压和频率的组合配置。表 １ 是 Ｉｎｔｅｌ 推荐的 微处理器 ＰＸＡ２５５ 的内核电压与频率之间的组合配置。 从表 １ 可以看到， 采用 １．３Ｖ 的内核电压可以使 ＰＸＡ２５５ 工 作在最高频率 ３９８．１ＭＨｚ， 但 １．３Ｖ 的内核电压会使系统 功 耗 过 大。因此， 可采用折中的做法： 牺牲微处理器的一部分性能， 降低 微处理器的功耗。设计采用 １．１Ｖ 的内核电压， 这样微处理器最 高时钟频率可以设置为 ２６５．４ ＭＨｚ （ 运行模式） 或 ２９８．１ＭＨｚ （ Ｔｕｒｂｏ 模式） 。
参考文献：
４５
［１］ 田泽， 于敦山等译．ＡＲＭ ＳｏＣ 体 系 结 构［Ｍ］．北 京 ： 北 京 航 空 航 天 大
睡 眠 模 式 下 ， 仅 ＲＴＣ（ 实 时 时 钟 ） 和 电 源 管 理 部 分 继 续 工 作， 功耗最小。电源管理器设置 ＧＰＩＯ 输出为睡眠状态， 而 设 置 ＳＤＲＡＭ 为自我刷新方式， 从而保存其内容。设置寄存器 ＰＷＲ－ ＭＯＤＥ［Ｍ］＝１１， 进入睡眠模式。在睡眠方式下， 不响应中断。仅唤 醒信号、硬件复位才能触发 ＰＸＡ２５５ 微处理器， 返回运行模式或 者快速模式。
数 ， 代 表 逻 辑 门 在 一 个 时 钟 周 期 内 翻 转 的 次 数（ 通 常 为 ２） ； ＮｇＬ 为门的负载电容。
分析式（ ２） 中的各个参数， 可以得到低功耗设计的方法： 降
低电源电压、时钟频率和电路的活跃因数 Ａｇ。
２ 动态电源管理 ＤＰＭ
所谓动态电源管理 ＤＰＭ， 就是在系统运行期间对系统的时 钟或电压动态控制， 有选择的把闲置的系统单元置于低功耗状 态， 从而达到降低系统功耗的目的。动态电源管理是由软件、硬
空闲（ｉｄｌｅ）模 式 允 许 停 止 微 处 理 器 内 核 时 钟， 但 是 仍 然 监 视 片外和外部中断服务请求， 这种模式功耗较小。微处理器单元模 块， 包括： ＲＴＣ、ＯＳ（ 操作系统） 定时器、中断控制器、ＧＰＩＯ（ 通用 Ｉ ／Ｏ） 、时钟和电源管理、外围单元模块（ ＤＭＡ 控制器、ＬＣＤ 控制 器和所有其他外围单元） ， 以及存储器控制器仍处于运行状态。 设置寄存器 ＰＷＲＭＯＤＥ［Ｍ］＝０１， 进入空闲模式。如果发生复位或 中断， 可唤醒微处理器 ＰＸＡ２５５， 退 出 空 闲 模 式 进 入 运 行 模 式 或 者快速模式。
单元， 来达到降低功耗的目的。图 １ 是微处理器 ＰＸＡ２５５ 在各工作
模式之间的转换图。
图 １ 微处理器 ＰＸＡ２５５ 工作模式转换图
２００６ 年第 ４ 期 运行模式是微处理器 ＰＸＡ２５５ 的正常工作模式， 允许所有
功能单元的电源和时钟。在复位或其他模式结束后， 通常进入运 行模式。快速模式允许微处理器 ＰＸＡ２５５ 在短时间内高速运行， 性能最强， 功耗也最大。为了提高电源效率， 软件应该在运行模 式下将程序装入 Ｃａｃｈｅ 中， 然后在快速模式下运行它们。快速模 式下， 访问外部存储器的速度仍与运行模式相同。进入和退出快 速模式， 通过设置寄存器 ＣＣＬＫＣＦＧ［Ｔｕｒｂｏ］比特位来实现。
表 １ ＰＸＡ２５５ 内核电压与频率的组合配置
ＬＭ １．００
Ｎ １．５０ ２．００
ＳＤＲＡＭ ＬＣＤ ３．００
２７ １ ９９．５＠１．０Ｖ ———
４４ ３６ １ １３２．７＠１．０Ｖ ———
１９９．１＠１．０Ｖ ２９８．６＠１．１Ｖ ９９．５
———
——— ６６
９９．５ １３２．７
２７ ２ １９９．１＠１．０Ｖ ２９８．６＠１．１Ｖ ３９８．１＠１．３Ｖ ——— ９９．５ ９９．５
３６ ２ ２６５．４＠１．１Ｖ ———
———
——— ６６
１３２．７
４５ ２ ３３１．８＠１．３Ｖ ———
———
——— ８３
１６５．９
２７ ４ ３９８．１＠１．３Ｖ ———
———
——— ９９．５ ９９．５
附 注 ： ９９．５＠１．０Ｖ— ——内 核 电 压 为 １．０Ｖ 时 ＣＰＵ 频 率 为
９９．５ＭＨｚ
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Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ； ｄｙｎａｍｉｃ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ； ＰＸＡ２５５
功耗问题已经成为嵌入式系统设计中普遍关注的难点和热 点。对于便携式应用来说， 低功耗设计尤为重要， 其主要的优点 是延长电池的使用时间， 其次是减少系统产生的热量。选择低功 耗的元器件是降低系统功耗的一种方法， 而从全局角度考虑低 功耗设计， 可以更加有效的降低系统的功耗。本文主要探讨采用 动态电源管理（ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ， 简称 ＤＰＭ） 技术降 低系统功耗的方法和措施。