低功耗嵌入式系统的设计

　　经过近几年的快速发展，嵌入式系统（Embedded system）已经成为电子信息产业中增长力的一个分支。随着手机、PDA、GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用，嵌入式系统的市场正在以每年30% 的速度递增（IDC预测），嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。

　　在嵌入式系统的设计中，低功耗设计（Low-Power Design）是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。

　　一般来讲，低功耗嵌入式系统的设计包括如下的几个关键的步骤：

　　1. 方案的确定：方案是设计的关键，是项目成功的基本条件。方案选择错了就等于一个人走错了路，要么达不到要求，要么事倍功半，有时虽然满足了设计的要求，但却在时间、预算和成本等方面增加了更多的投入。例如在玩具行业，一般均选择4位系列的MCU来进行产品的设计，若采用8位甚至16位MCU，则无论是在成本，功耗等方面都将是得不偿失的选择；

　　2. 器件的选型：不同的芯片，不同的厂家其所提供的产品的特性均存在差异，特别是在功耗方面，有时差别很大，因此确定了方案之后，如何选择合理的器件和MCU，也是保证产品功耗能够达到要求的关键；

　　3. 硬件设计：我们知道外围电路有时是整个系统的功耗“大户”，比如ADC、背光、蜂鸣器、外部Memory、各种传感器等。因此如何合理设计外围电路模块，合理使用和控制相关的外围电路模块将是系统设计的重点。当然硬件的设计必须与软件的设计相结合。

　　4. 软件的设计：软件的设计是整个系统设计的重中之重，系统整体功耗的控制、外围电路模块的使用、调度和切换等，均需要通过软件的编程来实现。一般来讲，低功耗软件设计包括如下的几个方面：

　　a） 初始化：初始化是嵌入式系统设计的基本步骤，也是控制整个系统功耗的重要的步骤，何以如此呢？我们知道，一般来讲在初始化部分，我们需要对整个系统进行配置，比如IO口的设置、外围功能的配置等，而其中容易被设计者所忽略的一步就是对在项目设计中未被使用MCU的功能的配置，有时正是这些资源的配置不合理，从而导致系统整体功耗出现意想不到的结果。

　　b） 系统时钟的控制：合理使用系统时钟，会在功耗方面带来意想不到的效果。我们知道，CPU的系统时钟与CPU的功耗成正比，时钟越快，其功耗也越大。因此，对于一些具有多个系统时钟的Microcontroller，软件的设计时必须根据系统需求来选择合理的CPU时钟，例如某些带有外部Memory的运动手表，在正常的运行下可以采用32768Hz作为其CPU时钟，以获得的整体功耗；而在访问外部Memory时，由于外部Memory的访问电流在几个毫安甚至更高，而长时间的访问势必导致功耗的增加，因此为了有效地降低由于Memory访问而导致的电流的损耗，则可以切换到1Mhz或更高的CPU时钟下，以求在短的时间里完成对Memory的访问。当然，在进行时钟切换的时候必须进行全面的考虑，因为选择较高的CPU时钟，其MCU本身的功耗也会增加，因此我们必须要在各种因素下找到其平滑点。对于一个给定的系统，由于电压是固定的，而且电池的容量也是固定的（设位WBatt），因此系统的功耗可以用下式来进行表示：

　　WBatt ＝ ∑Ik*Tk （k = 0……n）

　　其中，Ik为系统在不同的状态或条件下的电流，而Tk则为系统在此状态或条件下所维持的时间。

    由上式可知，CMOS电路中的功率消耗是与电路的开关频率呈线性关系，与供电电压呈二次平方关系。对于一颗CPU来讲， Vcore电压越高，时钟频率越快，则功率消耗越大。所以，在能够满足功能正常的前提下，尽可能选择低电压工作的CPU能够在总体功耗方面得到较好的效果。对于已经选定的CPU来讲，降低供电电压和工作频率，也是一条节省功率的可行之路。　　

    c） IO口的控制：IO口的控制主要集中在上拉、下拉电阻的选择，待机状态下的电平输入输出设置等。对于IO口的控制，必须记住一个原则：任何情况下，都必须尽可能保证在IO口上不存在电流的流动。电流即意味着能量的损耗，因此在软件设计是必须根据实际的情况来合理配置IO口的状态和其输入输出电平；

　　d） MCU工作模式的使用：对于大多数低功耗MCU，均存在多种工作模式，一般包括如下几个运行模式：

　　i. 正常运行模式：CPU和Clock均在工作，此时MCU处于功耗状态；

　　ii. 停机模式：CPU停止工作，但系统时钟仍在工作，此时MCU处于较低的功耗状态；

　　iii. 掉电模式：CPU和系统时钟均停止工作，此时MCU处于功耗状态；

    我们把CPU的功率消耗分为两大部分：内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，总的功率等于两者之和，即P=PCORE+PI/O。对于 PCORE，关键在于其供电电压和时钟频率的高低；对于PI/O来讲，除了留意各个专门I/O控制器的功耗外，还必须关注地址和数据总线宽度。

　　e） 外围功能模块或电路模块的管理：大多数系统的外围功能模块都是处于一种低频度使用状态，而且有时其功能的开启是有条件的，因而合理的使用和调度外围模块也是降低功耗的重要方法。例如在含有传感器的系统中，可以根据传感器数据增量的变化来提高或降低其开启的频率，就以环境温度的检测为例，由于环境的温度变化是非常缓慢的一个过程，应此对其的检测可以以一种相对较长的时间间隔来进行，入一分钟或若干分钟，若在某检测出现有别于常规的温度变化时，为了保证数据的可靠性，则可以在短时间内对其进行若干次的重复测量，以确认其温度的变化是否时正常的还是由于其他的干扰所导致。

　　总之，低功耗的设计并非是一蹴而就的事情，需要综合考虑各种可能的因素、条件和状态，需要对各种细节进行认真的斟凿和分析，对各种可能的方案和方法进行计算和分析，才可能取得较为满意的效果