嵌入式零功耗系统设计研究

1.2.3 有效操作的微观时空占空比

在数字系统中，进入有效操作状态的一个完整电路中，也不是每一时刻、每一电路单元都处于有效操作状态，同样可以估算出微观有效操作的时域占空比和区域占空比。

(1)有效操作的微观区域占空比μSdc

μSdc定义为：有效操作电路单元中，平均有效操作区域Aact与全部电路单元区域Atot之比。例如，热流量计在执行数据存储任务，对EEPROM进行存储操作时，EEPROM的三个操作区域，即输入缓冲电路、转换控制电路和EEPROM阵列轮流进入有效操作状态。设这三个区域有效操作功耗相等，那么，热流量计在数据存储时，存储器EEPROM的微观有效操作区域占空比为

(2)有效操作的微观时域占空比μTdc

系统中，所有处于有效操作的电路，真正的有效操作只表现为0、1状态的变化操作。因此，电路有效操作的微观时域占空比μTdc定义为：电路的动态时间ATact与全部时间ATtot之比。例如，在热流量计的数据采集任务中，频率测量的逻辑控制电路要根据温频传感器输出的信号脉冲，实现频率测量控制。这些操作控制都出现在脉冲的变化沿。设温频传感器输出的信号脉冲频率为20 kHz，测控逻辑状态变化时间小于100 ns，可以估算出，在数据采集任务中，频率测量控制逻辑电路有效操作的微观时域占空比为

1.3 高谐小量时空占空比与零功耗设计

1.3.1 实际系统中高谐小量的时空占空比

在嵌入式应用系统中，CPU高速处理能力与实际任务操作状态以及系统中的微观静、动态的巨大差异，导致大量无谓等待状态，形成有效操作的时、空占空比现象。上述4类占空比现象，在许多嵌入式应用系统中都会存在，而且这4类占空比形成乘积效应。按照上述估算，热流量计总体有效操作的时空占空比OPdc为

从这里揭示了一个惊人的现状，即在一个嵌入式应用系统中，有效操作只是全部运行操作的高谐小量。这一特点是嵌入式系统零功耗设计的基础。零功耗系统按照有效操作时空占空比实行精细的功耗管理，非有效操作期间没有功耗，从而使系统功耗与原来相比达到趋于零的效果。早期提出零功耗概念，并实现零功耗设计的器件有AMD公司的Flash存储器Am29SL800B。早先Am28F800B的功耗量级为100时，改进工艺并降低电压后的Am29SL800B为20，而实现零功耗管理的Am29SL800B的功耗则小于0.1。可见零功耗系统设计在降低系统功耗中的潜力。

1.3.2 零功耗系统设计基本要求

在不少实际的嵌入式应用系统中，虽然有效操作时空占空比不会是热流量计那样显著的高谐小量，但一般都会有0.1 %的量级。如果能按照系统有效操作时空占空比实施精细的功耗管理，使无效操作期间没有功耗，就可实现系统的零功耗。

零功耗是一个工程概念。零功耗系统是指该系统中没有任何功耗浪费。因此，零功耗系统设计的基本要求如下：

(1)系统中所有的电路单元都具有功耗管理功能，即该电路单元在非有效操作期间都能被关断(没有功耗)。

(2)系统具有按有效操作时空占空比实施精细功耗管理的能力，能做到多干多吃、少干少吃、不干不吃、谁干谁吃的系统功耗分配。

(3)对于系统无法企及的微观有效操作时空占空比的功耗管理，要求由电路静、动特性来满足功耗分配，即电路动态过程有功耗，电路静态时没有功耗。

2 零功耗系统设计的技术基础

零功耗系统设计的核心技术，是按系统中有效操作时空占空比来实现按需分配的功耗管理。不仅实现宏观有效操作时空占空比的功耗管理，还要实现微观有效操作时空占空比的功耗管理。因此，实现零功耗管理必须有相应的技术基础，这就是CMOS工艺的电路基础、嵌入式系统实时的智能化控制以及具有功耗管理功能的外围器件。这些技术基础可以满足零功耗系统设计的三个基本要求。