基于ARM的嵌入式计算机系统的低功耗设计与实现

2功耗产生的原因
如图1所示的嵌入式计算机系统硬件架构中，功耗主要来源于以下几个方面：微处理器、LCD触摸屏、集成电路、电阻和有源器件等。其中微处理器是系统功率消耗的主要来源，它几乎占据了除LCD触摸屏以外的整个系统功耗的一半以上，所以选择低功耗的微处理器对于系统的功耗大小有举足轻重的影响。LCD触摸屏是嵌入式系统中功耗的另一个主要来源。除了微处理器和LCD触摸屏之外，集成电路是系统组成的主要器件，对应的电路中只要有电流流过，就会产生功耗。集成电路的功耗主要包括开关功耗、静态功耗、动态功耗、短路功耗和漏电功耗，对于目前大多数采用CMOS工艺的集成电路来说，主要的功耗是动态功耗，是指电路翻转时产生的功耗，它是由于电路翻转时存在跳变沿，在翻转的瞬间，电流较大，所以动态功耗较大。除此之外，电阻和有源器件也是系统中功耗产生的一个原因，尤其在有源器件的状态变化时产生较大的电流和电压，引起较大的功率消耗。另外，CMOS电路中最大的功耗来自于内部和外部的电容充放电产生的功耗。
据功耗产生的原因，结合实际的应用环境，本设计的嵌入式计算机系统通过硬件和软件的低功耗设计来实现系统的低功耗，下面详细描述。

3 硬件的低功耗设计与实现
3．1 低功耗的微处理器选择
如前所述，嵌入式计算机系统的微处理器是系统功耗的主要来源，所以在选择微处理器即CPU时，不仅要注意微处理器的性能优劣(比如时钟频率)及提供的接口和功能多少，对于嵌入式计算机系统来说也要注重微处理器的功耗特性。微处理器的功耗包括内核消耗功耗和外部接口消耗功耗，内核消耗功耗主要体现在供电电压和时钟频率的高低；外部接口消耗功耗体现在专门I／O控制器的功耗。
在本系统的设计中通过对微处理器的性能和功耗的比较和衡量，我们选择了低功耗的微处理器PXA270，PXA270的主频可以设置在104MHz到624MHz之间；PXA270嵌入式处理器在个人的互联网客户端架构处理器(PCA)中集成无线MMX技术，使得它拥有高性能、低功耗的多媒体加速能力，能够很好地支持MPEG4和MP3解码；同时加入了Intel Speed Step动态电源管理技术，在保证CPU性能的情况下，最大限度地降低小型嵌入式计算机系统的功耗。
3．2 接口电路的低功耗设计
嵌入式计算机系统的接口电路的低功耗设计主要体现在以下几个方面：
(1)选择静态电流较低的外围芯片，设计中除考虑系统的功能实现以外，在外围接口芯片如USB接口、串口、以太网接口、CAN接口、音频接口的设计芯片都尽量选择静态电流较低的芯片来实现系统功能。
(2)恰当地选择上拉电阻／下拉电阻。对于嵌入式计算机系统的接口电路设计，许多信号管脚都涉及上拉电阻或下拉电阻，在设计中考虑能正常驱动后级信号的情况下，上拉电阻或下拉电阻尽量选择较大的阻值。如同样是在3．3V的系统中用10kΩ的上拉电阻比用4．7kΩ的上拉电阻，当输出为低时，每只脚上的电流消耗少0．37mA，若系统设计中存在100个这样的管脚，就减少了37mA的电流。系统的接口电路中多数情况为低的信号设计上用下拉电阻来节省功耗。
(3)悬空脚尽量接地或上拉到VCC。系统中的集成电路基本都是CMOS器件，CMOS器件由于其悬空的输入端的阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致输入端信号电平随机变化，导致CPU在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入休眠状态或出现其他莫名其妙的故障，所以设计上未使用的悬空脚要尽量接地或上拉到VCC，减少不必要的功耗。
(4)慎重选择Buffer。在以往的设计中，设计人员习惯用Buffer来增加电路的驱动能力，这些Buffer肯定会导致更多的功耗。在系统设计中，仔细检查每个芯片的最大输出电流IOH和IOL是否足以驱动下级芯片，通过选取合适的前后级芯片来避免不必要的Buffer，来尽量减少系统的功率消耗。 linux操作系统文章专题:linux操作系统详解（linux不再难懂）