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1

101001000

1980199020002010

P o w e r D e n s i t y (W /c m 2)Hot Plate Nuclear Reactor 386486Pentium Pentium Pro

Pentium 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 6

16x

14x 12x 10x

8x

6x

4x

2x

1x Improvement

(compared to

year 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= 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

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@600Mhz

8.1.4 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（quiet

computing 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。