嵌入式系统动态低功耗研究

1低功耗研究的必要性和可能性

在一定使用条件下，几个对象组成的嵌入式系统在多对象的相互作用下能够向外界输出一定的功能。在设备生产评价阶段，需要不同的评价指标来评价产品的质量。对于嵌入系统，也需要多种评价。这些指标包括使用可靠性、维修便捷性、能耗低等。其中随着社会能源重视程度的提高，能耗性能越来越被看重，成为被考虑的重要设计因素。必要性表现在：（1）便携式设备越来越多使用电池，而电池容量有限；（2）电子元件的迅速发展，系统时钟频率和集成度明显提高，IC器件性能提高都带来能耗增加；（3）环保，绿色电器理念流行，人们对低能耗设备认可度提高。还有其他因素都说明降低嵌入式设备系统能耗的必要。可行性表现在：（1）动态电源管理技术的应用，以及电源供给技术的发展，可以使设备根据不同任务调节工作电压，电压转换器为电压动态调节提供了硬件支持；（2）嵌入式系统是多种器件的集合，具有不同器件的特性，系统根据不同器件在最坏情况下负载的变化提供电源，可以使某些设备在睡眠和唤醒不同模式下工作；（3）每项功能的实现，都需要硬件为载体，软件为主体，我们动态低功耗的实现需要嵌入适合的程序。

2低功耗设计

首先分析耗能原件，内核处理单元承担系统计算，嵌入系统相关数据的存储、显示单元，以及系统内部的连接单元这些都是耗能元件。降低能耗需要从这几个方面入手，降耗的前提要保障能耗元件满足使用要求的前提。从目前研究来说，嵌入式能耗减低分为静态技术和动态技术。在系统初步设计的过程中，满足功能要求和使用模式，这些是已经知道的，在后期是不能改变的。例如，优化程序代码，是程序运行简洁、快速，改变代码在储存器中的储存方式直接影响数据的读取使用，影响单元之间的能量平衡。静态低能耗主要使用在系统的设计阶段，在系统初期设计时考虑。动态低能耗是相对于静态低能耗来说的，从字面来说也可以看出，动态是不断变化的，嵌入系统工作过程中系统载荷是不断变化的，动态技术就要能够识别这种变化，调节相应的设备运行模式，根据不同载荷，调节模式实现能耗的降低。动态技术也属于系统的设计阶段，关键是模式转换单元，要能良好识别不同的工作负荷，也称谓功耗管理单元。嵌入式系统由多元件、器件组成的特性也为动态的低功耗策略设计提供了可能。内核功耗管理单元会时时扫描系统的工作情况，发现不满足当前工作负载的情况，功耗管理单元就发出指令对目标设备的工作模式进行调节。以达到满足要求的目的。设计和使用过程中不同，静态技术实在设计阶段完成，在使用过程中不会变化。动态技术在设计完成之后，使用中会根据工作负荷，调整工作模式适应使用要求。能够很好地降低能耗。可见动态能耗减低技术是研究的方向，能够更好地符合使用要求。动态降低能耗已成为嵌入式系统领域中降低功耗的重要手段。

3动态电压技术

3.1动态电压基本原理

动态电压技术就是根据当前事件的重要程度，依据处理事件动态调节内核处理器的工作电压，实现完成处理事件功能的前提下，最优化地降低系统的耗能。要实现电压的动态调节，要实现电压内部运行实时调节，还必须电压转化器的高效运转。芯片技术的不断进步，让电源供给技术实时处理的工作电压变成可能，电压转换器的不断改进，为内核工作电压的调节提供了方便。在实时系统中，分配的任务要在设定的时间内完成就算满足系统的性能要求，这样系统就不要求立即回应。相对于实时系统，动态电源技术是非实时系统，对节能的作用很明显。但是用于实时系统时，动态电源具有非确定性和概率特性不能满足要求。动态电压的特性是由目前负荷的性能需求来随时调节内核处理器工作电压，在电压尽可能低的情况下，实现系统功能的正常使用。从功率定义的公式知道，能量的大小与使用时的电压成正比例关系。我们对处理器进行调节时要全面进行。不能只调节频率，只调节频率降耗是有限的。

3.2动态电压模型

由一组具体的任务实例调节过程来阐述动态电压策略模型。首先假设一个嵌入式系统的工作电压可以实现在有限的范围内连续调节，五个相互独立的任务T1、T2、T3、T4、T5在内核内需要根据情况处理，周期性发生的事件是T1、T2，不连续、无规律发生的事件是T3、T4、T5，如表1所列，表中的时间都为相对时间。T1、T2的截止期限和它们的发生得周期具有一定的关联。五个独立的事件中每个事件在激发以后，都必须在它们各自的截止时间之前立即被执行或也可以延迟执行，但必须在时间到来之前执行完毕。

3.3动态电压技术与动态电源技术的比较

分析动态电压技术与动态电源技术的基本原理以及策略模型知道，动态电压技术与动态电源技术原理之间有着明显的区别，但也存在一定的必要联系。区别主要表现在：（1）原理方面：动态电压和动态电源在调节规律上不一样。动态电压的工作电压是可以随时变化的，它变化的趋势根据工作的负载。动态电压工作电压是不能改变的，它主要根据工作中，负载的有无，调节工作模式是正常还是休眠。（2）工作过程：动态电压的电压是不断变化的，这就需要稳定的电压转换电路。而动态电源整个工作过程中电压保持不变。联系性表现在：工作范畴：如果把工作电压的变化情况看作工作模式，动态电压就包含动态电源。动态电压扩展了有效工作状态的定义，即包括分散或者连续电压。这样能够使功耗和性能之间取得平衡。这种方法可使功耗管理在系统有任务时就使用动态电压，而系统处于空闲时调为动态电源，这样就能同时控制性能和功耗水平，从而得到更大的功耗节省。通过综合分析，动态电压和动态电源两者存在区别，同时也有一定的联系。在使用过程中，应该根据具体的使用任务结合它们各自的特点应用。

4结语

传统设计概念主要从嵌入式系统的可靠性、使用功能性、设计维修费用入手考虑，随着技术发展，系统功耗这一概念也越来越受到设计者的重视，降低功耗主要是人们对便携设备电池耐用性、芯片运行速度、降低能源消耗多方面考虑的结果。便携设备越普及，它的重要性越明显。尽管动态电压和动态电源技术已经取得了突飞猛击的发展，还有一些关键技术需要不断地研究，特别是提高系统协调降耗方面。

作者：陈丹桂 唐佳 单位：湖南涉外经济学院信息科学与工程学院