ARM便攜式系統功耗管理的系統級設計

arm微解決器因其高性能和低功耗的特性，特別適合于便攜式系統的使用。而系統級的問題關于有效的功耗管理也是非常緊要的。本文緊要對硬件及系統的功耗管理作一些解析。

功耗管理電路能盡可能地降低便攜式系統的用電量。最緊要的優勢是延長電池的使用壽命，當然還有其他一些優勢，如減少散熱量等。充足知道系統各部分組件的耗電情況、降低系統哪部分耗電量比較合理等問題是至關緊要的。功耗管理是由軟件、解決器、外設、電源等一起構成的系統問題。

解決器

便攜式系統的解決器中有大量與系統其他電路相連的開關晶體管，消耗了大量的電能。因解決器運行著軟件，所以可使其中某些不執行任務的部件關斷或減慢運行速度。

CMOS基礎

解決器由CMOS電路構成。下面的公式顯示了功耗p，CMOS門電容C，開關頻率f及供電電壓V之間的關系：

對一個詳盡的解決器來說，CMOS門電容C是個常量。但開關頻率f和供電電壓V可依據實際的使用要求而調整。供電電壓V和開關頻率f之間還有以下關系要考慮，即更高的開關頻率要更高的供電電壓支持：

解決器廠商通常會指定一些工作電壓與頻率之間的組合配置。

解決器空閑模式(IdleMode)

現今，幾乎所有的解決器設計都有空閑模式。在空閑模式狀態下，解決器的時鐘停止，以減少解決器在空閑狀態下的功耗。當操作系統發現解決器當前沒有可執行的任務時，便將解決器置于空閑狀態。當系統發生中斷時，解決器從空閑狀態被喚醒。大多數系統都有操作系統計時器中斷，因此，解決器在一秒鐘之內可能幾千次地進出空閑狀態。值得留意的是：解決器空閑模式僅影響解決器本身，但對系統的其他硬件不出現任何影響。

電壓與頻率的配比

電壓與頻率的動態變化關系非常有趣。從單純CMOS的角度來看，執行每一個指令所需的能耗是相同的，因此降低CMOS頻率幾乎無法減少耗電量。空閑狀態的存在是單單降低頻率無法節約能耗的原由。在高的時鐘頻率下，解決器僅僅是加快了完成工作的速度，但在空閑狀態下停留的時間會更長。若電壓隨著頻率一起降低，這樣每執行一條指令的能耗就隨之降低。因為電壓的平方V2與功耗p成正比，所以稍稍降低一點電壓，功耗便能大大減少。例如降低電壓29%，功耗將降低50%。

從系統的角度來看，改變系統頻率可能會帶來一些好處。有研究[1]聲明：在供電不穩定或電壓峰值比較大的情況下，電池將不能有效地工作。空閑模式時間比較長的系統可能會出現這種情況，這緊要取決于電池技術及與系統進出空閑模式頻率相關的電源濾波。仔細的系統分解和探測可以確定：只是動態地改變頻率能否為某個詳盡系統的功耗優化帶來好處。

同時改變電壓和頻率是當前移動式電腦解決器常用的技術。解決器制造商可能會具體列出一些電壓及頻率的配比值，然而，系統運行時的電壓及頻率的動態配比卻更為緊要。非得留意的是：要謹慎控制電源電壓的變化率，并令其與解決器要求相匹配；在頻率變化過程當中，解決器的某些部分可能要封閉。

最近，arm與國半(NationalSemiconductor)共同宣布，電壓技術將最終集成到解決器中去。解決器的電路設計將考慮頻率、溫度和工藝相關的參數來優化工作電壓，而不是僅僅簡單地考慮最壞情況。

解決器外設

多數基于arm的解決器，都在片內集成了大量的外設模塊。外設不被使用的時候，在準許的情況下要封閉其時鐘輸入。支持該外設的其他電路也應當被切斷供電。系統掛起模式

在系統掛起模式(也稱睡眠模式)下，惟有以下部件持續工作：SDRAM、解決器功耗管理電路、喚醒電路。

因SDRAM里面的內容受到保護，系統的運行狀態可以存入SDRAM里保存。以下是進入睡眠模式的典型步驟：1.用戶指定、超時、低電量狀態等因素啟動了掛起模式；2.操作系統調用驅動程序把外設調整到節電狀態；3.解決器未保存的寄存器存入SDRAM；4.SDRAM進入自刷新模式；5.解決器進入掛起模式。在該模式下，解決器的時鐘停止，系統中各供電模塊封閉。

重新恢復的次序與掛起次序相反，由解決器的喚醒信號或解決器內部喚醒信號源(如實時計時警報)啟動。系統執行掛起模式是個龐大的任務，非得知道要怎么樣將系統中所有的外設切換到節電狀態。

關于pDA類產品，掛起模式時功耗僅為10mW左右。系統在運行及掛起狀態之間可以輕易切換，只需用短短的10ms。

系統封閉狀態

對pDA類系統來說，掛起狀態雖然已大大減小了功耗，但系統在掛起狀態下也僅能維持數周。因而要一種封閉模式，像系統沒有電源相同。這種模式在電池耗盡時可以有效地保護電池不被損壞；同時可使pDA類產品在安裝有電池的情況下進行運輸和儲存。

軟啟動

大多數系統要一種軟啟動功能，軟啟動的時候，解決器被復位，但是SRAM里面的內容仍然保持。目前，大部分便攜式系統都選擇在RAM中存儲用戶文件，這是一項非常有用的功能。

硬件

有許多外設硬件要為功耗管理作特殊考慮。

顯示及背光

在pDA系統中，顯示設備的耗電最多。目前，有許多類型的顯示設備，但大多數現代的pDA產品都選用反射式薄膜晶體管(TFT)顯示加背光燈來做為顯示設備。雖然在光線充分的情況下可以看清屏幕上的內容，但是考慮到閱讀的舒適度，還是要把背光燈打開。目前，以下兩類背光燈使用得比較普遍：

LED背光燈耗電較少，但是有許多其他缺點。

若在短時間內沒有任何輸入，目前大部分便攜式系統設計都會把背光封閉。在許多使用里(如：音樂播放器等)，封閉顯示器是可以接受的。低功耗SDRAM

許多系統都使用低功耗的SDRAM，工作電壓為1.8~2.5V(而不是通常的3.3V)。用1.8V代替3.3V，將大大延長便攜式系統的運行時間和掛起時間。

SDRAM支持多種低功耗狀態。當系統處于掛起狀態時，SDRAM將進入自刷新狀態。在該狀態下，除了CKE，所有對SDRAM的信號都無效，SDRAM自己管理自身的刷新。當系統處于運行或空閑狀態時，SDRAM也可進入電源封閉狀態。

音頻

應選擇具有低功耗模式的音頻元件。否則，在系統掛起模式下要切斷該元件的電源。另外，應留意戒備在音頻電路的功耗模式切換中發出刺耳的噪聲。

電源

集成電路電源廠商不斷改進產品。先進的開關電源支持MHz級的開關速率，減小了電路所需的電容和磁場。在高速開關頻率下，非得謹慎設計電源的布局布線，使電源的控制回路能正常工作。若開關電源在掛起狀態下運行，它應當支持一種低功率模式，只輸出掛起狀態所需的極低功率就可以了。這通常被稱為雙模式開關電源。

備用電源

倘若系統的主供電電池是可移動的，則還須設計某種類型的備用電源。備用電源能在掛起狀態下進行主電池替換的時候對系統持續供電。多數pDA類系統使用一個小電池做備用電源，以滿足系統掛起狀態下的供電要。

緊急情況

一般硬件要能夠支持一些緊急情況。最緊要的事件是電池缺電。在此狀態下，操作系統非得被告知系統電量低，然后操作系統無條件將系統轉入掛起狀態。另一種危急事件是電池耗盡。此時電池的電能還沒有真的全部耗盡，但為了保護電池，電池將不再對外放電。這種事件由少數極低功耗硬件解決，硬件電路監測到這種狀態后，將把主電池從系統中斷開。要留意的是，斷電后所有SDRAM存儲器里的內容都將丟失。

漏電問題

漏電問題可能是當系統進入掛起狀態后面對的頭號問題。當集成電路斷電后，若某個輸入信號仍維持為高電平，就會出現漏電問題。如圖3，集成電路在輸入端有一個保護二極管，電流將經過保護二極管筆直進入集成電路的電源引腳。這將導致電源電壓不可預知的上升，同時在系統應當使用極小能量的情況下浪費了大量的電能。處理這個問題的辦法是：在集成電路斷電前，確定每個輸入信號(有保護二極管的)的電平為低，在掛起狀態下不能驅動轉為低信號的則非得加緩沖器。

結語

便攜式設備的電能管理已成為系統的一部分。若希望設計出成功的產品，要充足地知道系統并留意其中的各種細節。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除