嵌入式系统低功耗设计研究

2 硬件低功耗设计
2．1 选择低功耗的器件
选择低功耗的电子器件可以从根本上降低整个硬件系统的功耗。目前的半导体工艺主要有TTL工艺和CMOS工艺，CMOS工艺具有很低的功耗，在电路设计上尽量选用，使用CMOS系列电路时，其不用的输入端不要悬空，因为悬空的输入端可能存在感应信号，它将造成高低电平的转换。转换器件的功耗很大，尽量采用输出为高的原则。
嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，消耗大量的功率，因此设计时选用低功耗的处理器；另外，选择低功耗的通信收发器(对于通信应用系统)、低功耗的访存部件、低功耗的外围电路，目前许多通信收发器都设计成节省功耗方式，这样的器件优先采用。
2．2 选用低功耗的电路形式
完成同样的功能，电路的实现形式有多种。例如，可以利用分立元件、小规模集成电路，大规模集成电路甚至单片实现。通常，使用的元器件数量越少，系统的功耗越低。因此，尽量使用集成度高的器件，以减少电路中使用元件的个数，减少整机的功耗。
2．3 单电源、低电压供电
一些模拟电路如运算放大器等。供电方式有正负电源和单电源两种。双电源供电可以提供对地输出的信号。高电源电压的优点是可以提供大的动态范围，缺点是功耗大。例如，低功耗集成运算放大器LM324，单电源电压工作范围为5～30 V。当电源电压为15 V时，功耗约为220 mw；当电源电压为10 V时，功耗约为90 mw；当电源电压为5 V时，功耗约为15 mw。可见，低电压供电对降低器件功耗的作用十分明显。因此，处理小信号的电路可以降低供电电压。
2．4 分区／分时供电技术
一个嵌入式系统的所有组成部分并非时刻在工作，基于此，可采用分时／分区的供电技术。原理是利用“开关”控制电源供电单元，在某一部分电路处于休眠状态时，关闭其供电电源，仅保留工作部分的电源。
2．5 I／O引脚供电
嵌入式处理器的输出引脚在输出高电平时，可以提供约20 mA的电流，该引脚可以直接作为某些电路的供电电源使用，如图2所示。处理器的引脚输出高电平时，外部器件工作；输出低电平时，外部器件停止工作。需要注意。该电路需满足下列要求：外部器件的功耗较低，低于处理器I／O引脚的高电平输出电流；外部器件的供电电压范围较宽。
2．6 电源管理单元设计
处理器全速工作时，功耗最大；待机状态时，功耗比较小。常见的待机方式有两种：空闲方式(Idle)和掉电方式(Shut Down)。其中，Idle方式可以通过中断的发生退出，中断可以由外部事件供给。掉电方式指的是处理器停止，连中断也不响应，因此需要进入复位才能退出掉电方式。
为了降低系统的功耗，一旦CPU处于“空转”，可以使之进入Idle状态，降低功耗；期间如果发生了外部事件，可以通过事件产生中断信号，使CPU进入运行状态。对于Shut Down状态，只能用复位信号唤醒CPU。
2．7 智能电源设计
既要保证系统具有良好的性能，又能兼顾功耗问题，一个最好的办法是采用智能电源。在系统中增加适当的智能预测、检测，根据需要对系统采取不同的供电方式，以求系统的功耗最低。许多膝上型电脑的电源管理采用智能电源，以笔记本电脑为例，在电源管理方面，Intel公司采取Speed Step技术；AMD公司采取Power Now技术；Transmeta公司采取Long Run技术。虽然这三种技术涉及到的具体内容不同，但基本原理是一致的。以采用Speed Step技术的笔记本电脑为例，系统可以根据不同的使用环境对CPU的运行速度进行合理调整。如果系统使用外接电源，CPU将按照正常的主频率及电压运行；当检测到系统为电池供电时，软件将自动切换CPU的主频率及电压至较低状态运行。 linux操作系统文章专题:linux操作系统详解（linux不再难懂）