第8章+嵌入式系统的低功耗设计

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应用程序设计的低功耗考虑 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嵌入式处理器的基本功耗模型处理器功耗管理策略8.1.1 嵌入式低功耗的重要性11010010001980199020002010P o w e r D e n s i t y (W /c m 2)Hot Plate Nuclear Reactor 386486Pentium Pentium ProPentium 2Pentium 3Pentium 4 (Prescott)Pentium 4 为什么功耗问题这么重要？电池容量不遵循摩尔定律增长Processor (MIPS)Hard Disk (capacity)Memory (capacity)Battery (energy stored)0 1 2 3 4 5 616x14x 12x 10x8x6x4x2x1x Improvement(compared toyear 0)Time (years)8.1.2 嵌入式系统的功耗组成处理器、无线通信、屏幕是嵌入式系统的3个主要功耗部件8.1.3 嵌入式处理器的基本功耗模型嵌入式处理器的功耗分为静态功耗和动态功耗静态功耗（待机功耗，静态功率） 内核没有进行任何运算时的功耗，从集成电路工艺角度来讲，实际上是CMOS的漏电流带来的功耗。

漏电流的控制体现一个集成电路生产商的工艺水平。

静态功耗曾经微不足道，但随着集成电路工艺制程的发展（130nm→90nm→60nm→45nm）,问题已经变得非常突出。

动态功耗(动态功率，又称切换功率switching power)通常所说的功耗控制是指动态功率的控制。

动态功耗= aCFV2a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越高处理器的TDP（热设计功耗）TDP是一个与处理器功耗意义相近、且容易混淆的概念。

两者都是用于衡量与处理器功率相关的指标，且单位都是W（瓦特），但是TDP有着与处理器功耗不同的含义。

TDP反映一个处理器热量释放的指标，它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量。

处理器TDP功耗并不是处理器的真正功耗。

处理器功耗（功率）是一个物理参数，它等于流经处理器核心的电流值与该处理器上的核心电压值的乘积，它反映的是单位时间内实际消耗的电源能量。

而TDP是指处理器电流热效应以及其他形式产生的热能，它们均以热的形式释放。

显然处理器的TDP小于处理器的功耗。

TDP对散热系统提出要求，它是硬件设计者和制造商需要考虑的重要因素，但是我们这里讨论的是实际消耗的电源功率，即处理器功耗，而不是TDP。

处理器功耗的评价指标一般用mW/Mhz来衡量一个内核的功耗性能。

比如Intel XScale内核，500mw@600Mhz8.1.4 处理器功耗管理策略对处理器的电源（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。

8.2 功耗控制技术功耗控制可以从不同层次来实现，从低到高可分为：硬件的低功耗设计与制造技术软件的低功耗设计操作系统应用软件功耗控制是一个系统工程，很难凭单方面的努力就可获得低功耗效果。

例如下面讲功耗控制技术时，操作系统的各种低功耗状态需要硬件提供相应的支持，如ACPI支持。

即操作系统和硬件进行了低功耗的设计，但应用软件如果不遵循低功耗的设计，则后者会轻易挥霍到前者在功耗的节省。

下面重点介绍一下常用的功耗控制技术8.2 功耗控制技术1．动态电压/频率放缩技术动态频率放缩动态频率放缩（Dynamic Frequency Scaling，DFS）通过调节（即降低）处理器的工作频率，使其以小于峰值的频率运行，从而达到降低处理器功耗的目的。

此技术最早用在笔记本电脑上，现在在移动和嵌入式设备上得到越来越广的应用。

除了达到处理器节能的目的外，动态频率放缩技术的用途是多方面的。

它可以用在安静计算环境（quietcomputing settings）上，也可为处于轻负荷状态的机器减少冷却成本以及整体电能需求。

输出较少的热量，意味着系统可以降低冷却风扇的速度甚至将其关闭，从而减少了整体电能消耗。

在一些冷却能力差的系统中，当温度接近某个临界值时，此项技术帮助减少热量聚集，从而避免机器因为达到临界温度而失常。

不少超频（overclocking）的系统也采用此技术来实现临时性的补充冷却手段。

在实践上，ACPI（Advanced Configuration and Power Interface，高级配置和电源接口）规范规定，现代处理器的C0工作状态可分为名为P-状态（性能状态）和T-状态（抑制状态，throttling states）的两种，其中P-状态允许降低时钟频率，而T-状态通过插入STPCLK（停止时钟）信号来临时关闭时钟信号，以此进一步抑制处理器功耗（但非实际的时钟频率）。

要说明的是，由于存在一个主要由各种泄漏电流引起的静态功率问题，动态功率只是芯片的总功率的一部分，当芯片尺寸变得越小以及CMOS门限阈值水平越低时，泄漏电流的影响显得越来越明显。

特别是对于目前采用微米级以下制造工艺的芯片，其动态功率大约只占芯片总功率的2/3，这样限制了频率放缩的效果。

动态电压放缩动态电压放缩（Dynamic Voltage Scaling，DVS）通过另外一种方式来控制处理器功耗。

它是通过调节（即降低）处理器的工作电压，从而达到降低处理器功耗的目的。

动态电压与频率放缩动态频率放缩单纯地作为一种节省动态功率的方法，没太大的价值。

考虑到动态功耗公式中V2部分的重要作用，以及现代处理器针对低功率空闲状态已进行了深入的优化，动态频率放缩要想节省大量功耗，还需要动态电压放缩来配合。

此外，调低处理器工作时钟频率也为调低处理器供电电压提供了空间（因为在一定范围内，一个处理器可以支持的最高工作频率是随着处理器的供电电压的提高而上升的）。

这样，电压放缩与频率放缩这两种方法的协同使用，这就形成了综合功耗控制方法——动态电压/频率放缩DVFS（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）。

该技术在Intel处理器中又称CPU节流（CPU throttling）。

动态电压/频率放缩技术会带来性能上的影响。

该技术减少了处理器在给定时间内发出的指令数，从而会造成性能（即处理速度）的下降。

因此，它通常在处理器负荷较低（如系统运行在空闲状态）时使用。

2．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SpeedStep技术发展的历史第一代SpeedStep技术此代技术是SpeedStep原始技术，它让处理器在两种工作模式之间随意地切换，这两种模式即交流电状态时的最高性能模式（Maximum Performance Mode）和电池状态时的电池优化模式（Battery Optimized Mode）。

这两种模式根据电脑电源的来源——外接电源还是电池供电——来自动选择。

所谓最高性能模式是指当电脑与交流电源连接时，可提供与台式机（即总是由外接电源供电的机器）近似的性能；而电池优化模式是指当电脑使用电池时，会让电脑的性能发挥与其电池使用时间之间达到最佳的平衡。

通常在性能切换时，SpeedStep技术可将处理器的功率降低40%，同时仍保持80%的最高性能。

这种模式间的转化速度非常得快——仅仅为1/2000秒，以致用户根本感觉不到这种转化。

就算是对性能要求敏感的程序来说（比如说播放DVD电影），这种转换过程也丝毫不影响程序的运行。

除此之外，用户还可以自己设置模式：可以在使用电池的情况下使用最佳性能模式或是在使用外接电源的情况下使用电池优化模式。

而这一切仅仅需要用户使用鼠标在屏幕上选中某个模式，而不用重启电脑。

SpeedStep技术发展的历史(续)第二代SpeedStep（Enhanced SpeedStep）此代技术根据处理器的负荷情况在两种性能模式之间实时进行电压和频率的动态切换。

采用此技术，可以在电池驱动时根据处理器负荷情况自动切换到最高工作频率和电压，也可以在外接电源时根据处理器负荷情况自动切换到最低工作频率和电压，换句话说，此技术处理器工作频率和电压的变化不再由电源来源的类型来决定了。

第三代SpeedStep（Improved Enhanced SpeedStep） 此代技术除了两种基本工作模式外，还具有多种中间模式，支持多种频率速度与电压设置（由处理器的电压调整机制来控制），根据处理器当前负荷的强度自动切换工作模式。

Intel为EIST开发了大量软件和硬件来确保其能在电脑里流畅的运行，这其中包括了系统的BIOS、用户终端软件、ASIC控制和芯片组的支持等。

对于软件程序来说，其本身并不需要作出什么改动就能够很方便的使用这种技术。

同时要说明的是，EIST的工作也需要操作系统来配合，例如它对处理器负荷的检测是通过操作系统来完成的。

3．时钟门控（Clock Gating）技术时钟门控技术是通过另一种途径来实现节能的，它通过关闭和开启相关模块的时钟来实现功耗控制的。

此技术最早在诸如OMAP3之类的手机传统芯片家族中应用，而Intel从Pentium 4处理器也开始采用它来实现节能。

采用时钟门控技术，如果在当前的时钟周期内，系统没有用到某些逻辑模块，则切断这些模块的时钟信号，关闭模块的电路使其逻辑开关不改变状态，这样仅需要保留泄漏电流而其切换功率消耗接近于零，从而达到降低功耗的效果。