低功耗技术简介

1.功耗
本节中介绍功耗如何产生以及与系统功耗相关的一些因素。

2.功耗的由来
半导体制造工艺有两种：CMOS和TTL。

当前大部分嵌入式处理器都是使用CMOS工艺制成的。

而我们知道任何复杂的电子系统都是以简单门电路为基础组成的。

CMOS设备中就是通过两个MOS晶体管的电路切换来表示0和1的。

当CMOS中的门电路切换逻辑电平，N型和P型晶体管会同时打开一段时间，此时电流会通过这两个晶体管从电源线流到地线。

由公式：
P= I2R
其中，P为功率：I为当前电流；R为电阻大小。

可知当有电流流过的时候，就意味着电能的消耗，同时还有发热。

当嵌入式处理器运行速度越快，门电路切换就越频繁，功耗就越大。

2影响系统功耗的因素
影响系统功耗的因素有很多，在大部分电子系统中，产生功耗的主要部件是集成电路，其功耗取决于电路的基底技术，封装密度，供电电压，工作频率，外部环境，电路性能指标，接口技术等。

（1）开关功耗是对电路中的电容充放电造成的。

（2）短路功耗是开关时由电源到地造成的。

（3）静态功耗是指在电路稳定时有点源到地的电流所形成的功耗。

（4）漏电流功耗是由压阀值电流和反向偏压电流造成的。

目前集成电路以静态CMOS为主，在这类电路中开关功耗是电路功耗的主要组成部
分。

其次是短路功耗，另外两种：静态功耗和漏电流功耗在大多数情况下可以忽略。

3低功耗技术简介
为满足降低功耗这一特性，必须在设计的每一个阶段都将降低功耗考虑在内。

我们可以使用以下四种功耗优化技术来降低系统功耗。

这四种优化技术分别为：动
态电源管理，动态电压缩放，低功耗硬件设计，低功耗软件设计。

（1动态电源管理（Dynamic Power Management，DPM）是指有选择的把闲置的系
统部分置于低功耗状态，从而有效利用电能。

简单的说，动态电源管理是指系统在
需要的时候才产生功耗。

但不等同于不工作时断电，而是指在需要的时候能快速的
从低功耗状态恢复到正常的工作状态。

目前大部分芯片都设计有低功耗模式供设计
者选择，另外更有一些专门以低功耗为应用目标的超级低功耗芯片。

以低功耗模式
为基础，动态电源自主判断系统当前运行状态，当处于空闲时，进入某个合适的低
功耗模式，需要运行时从低功耗模式退出，恢复到正常运行状态。

仅从运行状态来
讲，动态电源管理没有降低这个过程的电源消耗，但从整个过程来看，平均功耗得
到了明显改善。

综上所述，一个动态电源管理系统是一个软件架构级的设计和优化工程产物，将系
统结构划分为紧凑的模块，尽可能缩短运行时间，延长休眠时间，从而降低平均功
耗。

动态电源管理基于以下假设：
（1系统各个部分工作负载不同。

（2系统各个时刻工作负载不同。

（3系统负载可预测。

一个电源管理系统的核心是电源管理器，它能够基于对工作负载的观察来完成控制
策略。

4动态电压缩放
动态电压缩放是基于器件工作电压越高，功耗越高的原理。

因此动态电压缩放就是电压调节器在运行时改变CPU的工作电压。

电压调节器首先分析系统状态，然后决定工作电压。

5低功耗硬件设计
低功耗硬件设计是基于低功耗硬件选择的设计，有以下两种选择来实现低功耗硬件设计：
（1低功耗硬件选择
目前大部分嵌入式处理器都针对功耗进行了优化并提出了各种低功耗解决方案，因此在低功耗处理器上我们有大量的选择。

（2低功耗外部器件选择
嵌入式系统出了处理器以外，还包括一些数字逻辑器件来讲处理器和其他系统组合在一起。

选择合适的低功耗器件，可以应对一般处理器应用。

6低功耗软件设计
嵌入式系用的功耗与硬件有关，但同时也有软件的因素，就像汽车的耗油量基于汽车的设计有关，由于驾驶者的技术有关。

引起CPU消耗的众多因素中，存储系统的设计对降低功耗有很大影响。

通常存储器运行有两种状态，读写状态和待机状态，其中待机状态功耗很小，读写状态功率较大。

基于这一点，要降低系统的功耗可以考虑如下方面：
(1程序存取模式。

程序存取模式对系统缓存性能有很大影响，不合理的存取导致大量缓存未命名的情况，对存储器的访问会相应增加。

（2并行存储。

将数据并行存储到多个独立内存上，可以提高系统性能，同时可以降低系统功耗，比如PC上使用的内存双通道技术。

（3代码压缩技术。

代码压缩可以减少存取的指令数，降低缓存为命中的可能性，就减少了存储器的存取操作。

（4源码级功耗优化。

源码级功耗优化是指通过选择实现统一功能的不同语句，来达到功能优化。

通过选择功耗较低语句来实现同一功能，可以节省一定功耗。

因此针对某一平台测试各种语句的功耗，可以为软件设计提供有效的设计依据。

三硬件平台简介
本章介绍进行低功耗技术研究和实现实验平台及进行测试的测试平台。

我们将要研究和实现的低功耗技术将建立在实验平台上，该实验平台唯一嵌入式Wi-Fi平台，其MCU为STM32F103，之所以选择这个平台，除了看重其低功耗方面的优良设计，另外其应用的广泛性也是选择它的重要原因。

测试平台作为实验平台的载体，可以控制实验平台的供电，测试其功耗及功能完整性等。

四STM32低功耗模式
STM32在拥有强劲性能的同时，根据实际运用中各种不同的功耗需求，提供了三种低功耗模式----休眠模式，停机模式和待机模式，设计者可以根据应用需求进行合理优化。

六总结与展望
本文首先介绍了系统功耗概念及影响喜用功耗的各种因素，在此基础上进一步阐述了STM32低功耗技术。

（1全面研究了STM32低功耗技术的原理，论证了它们对功耗优化的结果以及对系统的影响。

（2在实验平台上，实现了多种低功耗技术，针对动态电源管理技术，设计了预测性管理办法。

对各种低功耗技术的能耗降低效果进行了测试。

（3针对目标应用的需求，设计了多种应用模式，定义了这些应用模式的应用场合和功效优化效果。

（4完成了用于控制系统功能的实验平台配置工作，用于测试系统功能和功耗的测试工具。

致谢
时间过得很快，转眼就要毕业了，回首这段美好时光，感慨万千，连篇累牍的文字不能表达我的心情，这里我只想向在求学生涯中给予我帮助的同学和老师献上最真挚的感谢。

感谢姚老师，这篇文章是在姚老师的指导下完成的，从选题，可行性问题，低功耗技术分析到论文编撰都给予了我大量建议和帮助，再次向您表示衷心的感谢！
感谢我的父母和朋友，感谢你们的关怀和鼓励，你们将激励我永远拼搏向前。