嵌入式系统的低功耗设计

8.2.1.3 动态电源管理
• 操作系统支持的常见低功耗状态
– 休眠（Hibernate）(续)
• 由于休眠模式会在关闭电源之前，将内存中的所有数据保存至 （写入）外部存储器（一般是硬盘）上的参考文件中。退出休眠模 式时，系统将恢复（读取）该文件，并将相应的数据重新加载到 内存中。这样，系统就恢复到了之前的工作模式。由于休眠模式 需要保存内存数据，因此与睡眠模式相比，该模式的恢复（唤醒） 时间要更长。 • 这种模式的优势在于其完全不耗电，因此不怕休眠后供电异常， 但代价是需要一块和物理内存一样大小的硬盘空间。而这种模 式的恢复速度较待机模式慢。 • 休眠状态的计算机系统几乎和通常关机一样安静，用户还可以 完全切断电源，而内存的数据（即运行状态）不会由于断电而丢 失。与待机相比，休眠一般难以通过外部设备来唤醒的，它需要 和正常开机一样启动系统；不过和开机相比，休眠后启动系统无 需一个一个进程地来启动，只须要将硬盘中的内存镜像读取到 内存中即可，因此速度较开机还是快得多。
8.2.1.4 动态电压/频率调整
• 动态电压/频率调整技术实例：SpeedStep、EIST、 C&Q技术
– SpeedStep是由Intel公司推出的，对Intel CPU进行功耗 控制的一项技术。后来Intel发展了该技术，现在一般统 称为EIST（Enhanced Intel SpeedStep Technology，增 强型智能变频）。此技术最早用在Intel Pentium 3-M处 理器上，现在Intel Pentium 4 6xx、Pentium M、Pentium D、酷睿（Core）、Atom等多种系列上都采用了此技术。 此技术的基本原理是通过调整处理器的电压和频率，来 减少其功耗和发热，当然随着电压和频率的降低，处理 器的处理速度也会随之有所降低。采用此技术的系统， 不仅更加节能，而且不需要安装大功率散热器来散热， 也不用担心长时间使用因温度过高导致电脑不稳定。
• 比如TI OMAP2420里的Imaging/Video Accelerator模块
– 如果价格不敏感，可以直接利用FPGA设计加速模块
8.2.1.3 动态电源管理(Dynamic Power Management)
• 很多处理器或者外设支持多种不同的睡眠模式
– 一般是通过关断部分电路的电源实现睡眠 – 不同的睡眠模式下，关断的范围不一样，从而从睡眠恢 复所需的时间也不一样 – 尽量让系统在没有活动任务时进入尽可能深的睡眠模 式 – 需要操作系统和应用软件的配合才能实现
Improvement (compared to year 0)
12x 10x 8x 6x 4x 2x 1x 0 1 2 3
Memory (capacity)
Battery (energy stored)
4 5 6
Time (years)
• 电池容量不遵循摩尔定律增长
8.1.2 嵌入式系统的功耗组成
8.2.1.3 动态电源管理
• APM、ACPI标准
ACPI在整个计算 机系统中结构
• 目前一些流行操作系统和软件平台，如Windows XP、Moblin等，都是支持ACPI。
8.2.1.3 动态电源管理
• 操作系统支持的常见低功耗状态
当任务空闲（或称处于非活跃状态）时，计算机系统可通 过进入各种低功耗的工作模式的方式来节能，这些低功 耗的工作模式有时又统称为“睡眠”模式。系统的这些低 功耗工作模式，介于系统完全启动和完全关闭状态之间， 拥有多种形式，每种形式拥有自己的特点，能满足不同 角度的用户需求。这些工作模式包括： – 待机（Standby）
8.2 功耗控制技术
• 功耗控制可以从不同层次来实现，根据实现 效果，从高到低可分为：
– 系统设计 – 软件算法设计 – 硬件的设计
8.2.1 系统设计的低功耗考虑
• 待机模式的设计 • 卸载计算密集任务到专用硬件 • 动态电源管理(Dynamic Power Management) • 动态电压/频率调整(Dynamic Voltage/Frequency Scaling) • 时钟门控(Clock Gating)技术
• 动态功耗 = aCFV2
– a为与电路有关的一个调整参数； – C为一个时钟周期内的总栅电容，对于一个处理器来说 它是固定的。 – V最关键，因为动态功耗与其平方成正比。此外随着工 艺制程(130nm、90nm、60nm)的发展，工作电压要求越 来越低。 – F为时钟频率。
• V与F的制约关系
– V越高，可以支持的F越高
8.2.1.3 动态电源管理
• 操作系统支持的常见低功耗状态
– 休眠（Hibernate）
• 系统处于“休眠（Hibernate）” 模式时，将保存运行状 态的一份映像到外部存储器中，然后关闭计算机电 源。这样重启电源时，运行就会恢复到按原来离开时 的样子，如文件和文档就会按原来离开时的样子在 桌面上打开。 • 休眠模式比待机模式的脱机程度更深，因此有助于 节省更多的电量，但重启时间更长。此外，休眠模式 还具备更高的安全性。这是因为该模式不仅会像睡 眠模式那样关闭对外设和硬盘的供电，而且还会切 断对RAM内存芯片的供电。因此，又称为挂起到硬盘 （Suspend to Disk，简称STD）。
8.2.1.1 待机模式的设计
• 对于大多数家电希望能用遥控器控制开关
– 所以待机时，不能完全断电。
• 常用的实现方法包括两种：
– 伪待机方案
• 待机时就是程序不运行，关闭显示 • 待机功耗很大
– 备份MCU方案
• 用一个非常低功耗的MCU来负责遥控器的响应，并 且控制主CPU的电源 • 待机时主CPU完全断电
8.2.1.3 动态电源管理
• APM、ACPI标准
– 实现嵌入式计算系统的低功耗，需要硬件和操作系统协 同地工作。为协调操作系统和硬件对功耗和电源的管理， 需要为两者制定一套统一的接口规范。最早的规范是 APM（Advanced power management，高级功耗管理）， 它是由Intel和微软联手发布的一组API，使运行于与IBM 兼容的个人计算机上的操作系统能与BIOS协同实现功 耗管理。目前的规范是ACPI（Advanced Configuration and Power Interface，高级配置和电源接口），它是从 APM发展过来的。 – ACPI是一个电源管理服务的开放工业标准。它与多种 操作系统兼容，最初目标是针对个人计算机的。ACPI提 供了一些电源管理的基本工具并抽象出硬件层。操作系 统有自己的电源管理模型，它通过ACPI向硬件发送需 求控制，然后观察硬件状态将其作为电源管理的输入， 从而实现对计算机和外围设备的电源的控制。
8.2.1.3 动态电源管理
• 操作系统支持的常见低功耗状态
– 睡眠（Sleep）
• “睡眠（Sleep）”模式结合了待机和休眠的所有优点。将系统切 换到睡眠状态后，系统会将内存中的数据全部转存到硬盘上的 休眠文件中，然后关闭除了内存外所有设备的供电，让内存中 的数据依然维持着。这样，当用户想要恢复的时候，如果在睡眠 过程中供电没有发生过异常，就可以直接从内存中的数据恢复， 速度很快；但如果睡眠过程中供电异常，内存中的数据已经丢失 了，还可以从硬盘上恢复，只是速度会慢一点。不过无论如何， 这种模式都不会导致数据丢失。 • 此外，睡眠模式也不是一直不变地持续下去的，如果系统进入 睡眠模式一段时间后没有被唤醒，那么还会自动被转入休眠状 态，并关闭对内存的供电，进一步节约能耗。
8.2.1.4 动态电压/频率调整(Dynamic Voltage/Frequency Scaling)
• 某些新的CPU可以让软件动态的改变工作 电压和频率
– 通常两者按一定比例同步的修改，电压上升，可 以运行的最高频率上升
• 某些时候CPU上执行的任务并不一定要求 很快完成
– 比如在Windows事件循环中idle阶段的一些处 理 – 此时可以将CPU频率改慢，同时CPU电压改低 →两者都对降低功耗有贡献
tts
Prun Psleep
tst
8.2.1.3 动态电源管理
• 处理器功耗管理策略(续)
处理器的电源（即功耗）有两种不同类型的管理 策略： – 一种是静态电源管理机制。它由用户调用，不依 赖于处理器活动。一个静态机制的例子是通过 节电模式来节省电源。这种方式用一条指令来 进入，通过接收一个中断或其他事件来结束。 – 另一种是动态电源管理机制。它是基于处理器 的动态活动来对功耗来进行控制的。例如，当指 令运行时，如果处理器某些部分的逻辑不需运 行，那么处理器也许会关掉这些特定部分。
第8章 嵌入式系统的低功耗设 计
内容
• 低功耗设计概述 • 功耗控制技术 • Moblin的功耗控制技术
8.1 低功耗设计概述
• 嵌入式低功耗的重要性 • 嵌入式系统的功耗组成 • CMOS电路的基本功耗模型
8.1.1 嵌入式低功耗的重要性
• 为什么功耗问题这么重要？
1000 Power Density (W/cm )
2Biblioteka Baidu
Nuclear Reactor
100
Hot Plate
Pentium 4 (Prescott) Pentium 4 Pentium 3 Pentium 2
10
Pentium
Pentium Pro 486
1 1980
386
1990
2000
2010
16x 14x
Processor (MIPS) Hard Disk (capacity)
• 系统处于“待机（Standby）”模式时，将切断所用硬件组件的电 源，从而减少计算机的电源消耗。“待机”可切断外围设备、显示 器甚至硬盘驱动器的电源，但会保留计算机内存的电源，以不 至于丢失工作数据。
8.2.1.3 动态电源管理
• 操作系统支持的常见低功耗状态
– 待机（Standby）(续)
• 待机模式的主要优点在于恢复时间短，只需数秒时间系统就可 恢复到之前的状态。缺点在于待机模式仍需要对内存供电。这 样内存内容将不会被保存到文件夹中，因而也就不会因为内存 重新加载而影响运行速度。但是，如果在该模式下发生电源中 断，所有未保存的内存内容都将丢失。因此，待机又称为挂起到 内存（Suspend to RAM，简称STR）。 • 处于待机状态的系统，除硬盘外，其他设备还是处于加电等待 状态（也就是说唤醒时无须重新加电，通俗地说就是原地待命）， 所以电源、处理器、显卡等设备的风扇还是处于工作中，键盘指 示灯也是亮着的。我们可以通过按键盘任意键或动一下鼠标来 唤醒电脑，这时硬盘就会重新加电并启动，然后和内存、处理器 等设备交换数据，从而完成返回到原来工作模式的任务。
8.2.1.3 动态电源管理
• 操作系统支持的常见低功耗状态
– 实现这些低功耗状态节能，一方面需要操作系 统的支持，另一方面也要求硬件提供相应的支 持，如支持高级配置和电源接口（ACPI），这样 的协同才能实现上述功能。当空闲时间（又称非 活跃时间）达到指定长度，或者检测出电池电量 不足时，操作系统可自动将计算机系统置于各 种相应的低功耗状态，从而达到整个系统节能 的目的。
• 模式切换的频度的折中
– 从睡眠模式恢复到正常状态的这个过程往往比正常模 式还要费电 • 比如硬盘从静止→启动到规定的转速 – 过于激进的切换，可能导致频繁的恢复，所以反而更耗 电 – 过于保守的切换，节电效果也不好
8.2.1.3 动态电源管理
• 处理器功耗管理策略
– 处理器的运行方式可以用一个电源状态机来描 述：
• CPU不再是唯一的功耗的组成
处理器、无线通信、屏幕是嵌 入式系统的3个主要功耗部件
8.1.3 CMOS电路的基本功耗模 型
• 分为静态功耗和动态功耗——回顾第3章关于处理 器的知识，实际上这一点对所有CMOS电路都适 用。
– 静态功耗曾经微不足道，但现在随着工艺制程(130nm、 90nm、60nm)向深纳米发展，问题已经变得非常突出。
8.2.1.2 卸载计算密集任务到专用 硬件
• 通过把复杂的计算卸载 (offloading)到专门的硬件 上，放低对主处理器的主频要求 – 比如一视频播放器里的YUV→RGB转换环节如果用
CPU来做，对于720p的可能要用掉一个嵌入式处理器 （400Mhz左右）的全部计算能力，功耗10瓦左右。 – 但是如果用一个专门的硬件电路来做（并行的多个乘加 单元），可能10Mhz的工作频率就够了，也许几十个mW 功耗就够了 – 采用具有专门对你的计算密集应用有专门加速模块的 SoC