嵌入式零功耗系统设计研究

(1)断续运行系统最小时空占空比的任务安排

对于可断续运行的系统，无论任务集中还是分散，都要努力寻求有效操作最小量的时空占空比。例如，热流量计中确定了采集、处理、存储、送显示4个任务时间TOP后，任务的循环周期Ttot将决定宏观时域占空比的大小，即Tdc=TOP/Ttot。Ttot受温度变化率及测量精度的限制。在确知热水温度变化率和温度采集精度要求下，使Ttot最大来获得最小的有效操作时域占空比。

(2)连续运行系统的非连续化

将连续运行系统中的某些连续运行任务分离出来，实行非连续化，这样可以把连续系统的主体任务实现有效操作的占空比。例如，热流量计实际上是一个连续运行系统，因为它要不停顿地采集流量传感器的流量脉冲QP。如果把流量脉冲采用极微功耗，独立的计数器不停地计数，热流量计只在数据采集任务中顺便读取计数器的计数值即可实现热流量计主体的最小量时域占空比。

(3)系统中各项操作任务相关区域的最小化与独立化

为保证系统能获取最小有效操作的宏观区域占空比，并据此实现区域的功耗管理，必须将每个操作任务限定在一个独立的最小区域内，使不同操作任务的电路相对独立。例如，时钟、信号通道可单独关闭；采用电源管理的区域设置单独的电源总线开关或采用I/O驱动供电等。

3.2 系统硬件设计中的功耗管理电路设计

(1)满足宏观时空占空比功耗管理的独立电路设计。当按照最大限度宏观时空占空比来管理电路时，必须将这些电路设计成能独立实现静态化或实时关闭的电路单元和相应的管控电路。

(2)选择满足零功耗管理的外围器件。选择能自动实现零功耗管理的器件或可功耗管理的外围器件。

(3)最小值守电路设计。设计微功耗、高可靠性的开机值守、唤醒值守或运行值守电路。

(4)用电管理电路设计。在许多情况下，对于分时多区操作的独立电路单元，采用分布式带关断功能的供电电路来实现功耗管理是十分有效的。例如，热流量计在采集完温度传感器的输出后立即将传感器电源关闭。

3.3 功耗管理的应用软件设计

零功耗系统完全是在CPU的控制下完成功耗管理的，因此，它是依据总体设计要求，在系统硬件支持下，通过功耗管理的应用软件实现的。应用软件要遵循系统有效操作的时空占空比来及时关闭或唤醒相应的电路单元。

(1)MCU、处理器、SOC本身的零功耗管理。它包括内核的零功耗管理和核外功能单元的零功耗管理。

(2) 外围器件的零功耗管理。它包括外围器件的功耗管理或电源供电管理。

4 零功耗系统与最小功耗系统设计

零功耗系统是基于功耗管理的低功耗系统，但只有零功耗系统设计并不能实现系统的最小功耗。因为在实际系统中，有效操作时系统的功耗过大以及非有效操作时系统的功耗远不为零，都会影响实际系统的最小功耗水平；而降低系统有效操作和非有效操作时空中的功耗水平，属于传统的低功耗设计技术。它是根据电路功耗特性参数来实现满足低功耗设计要求，在很多情况下并没有功耗管理的参与。例如，根据CMOS电路动态功耗特性，其动态功耗与供电电压、变换频率、负载电容等参数有关。降低系统供电电压，降低时钟频率，减少硬件电路设计制作时的分布电容等，这样可以减少有效操作电路中的功耗水平；减少CMOS电路的静态泄漏电流的措施，则可降低非有效操作时空电路上的功耗。只有充分实施了传统的低功耗设计和零功耗设计，才能获得系统的最小功耗。

结束语

(1)零功耗系统是一种工程概念。在这种系统中没有功耗浪费，所必需的系统功耗为传统电路功耗的高谐小量。

(2)零功耗系统设计是基于CMOS数字电路静、动态功耗特性的最大静态化的功耗管理设计。

(3)在嵌入式应用系统中，按系统有效操作的时空占空比，实现按需供给的功耗管理能最有效地、大幅度地降低系统功耗。

(4)对系统实现低功耗设计与零功耗设计可实现系统的最小功耗--微功耗。

(5)系统的微功耗以及便携化，使系统供电变得十分灵活与多样化，从而使传统的系统电源设计转向系统供电设计。

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