嵌入式零功耗系統(tǒng)設計研究

嵌入式應用系統(tǒng)中，普遍存在功耗浪費現(xiàn)象。

1 零功耗系統(tǒng)設計的基本概念

1.1 系統(tǒng)中的理想功耗

一個電子系統(tǒng)要運行就會有功耗。如果系統(tǒng)運行時沒有任何功耗浪費，那么它的功耗就是系統(tǒng)的理想功耗。

在一個嵌入式應用系統(tǒng)中，由于普遍存在CPU高速運行功能和有限任務處理要求的巨大差異，會形成系統(tǒng)在時間與空間上巨大的無效操作。如果在系統(tǒng)運行中，所有時間、空間上的無效操作都沒有功耗，那么系統(tǒng)便處于理想功耗運行之下。

1.2 應用系統(tǒng)中的有效操作時空占空比

如果將系統(tǒng)運行中，所有時間、空間上的有效操作和無效操作采用時空占空比來量化描述，那么，有效操作占空比定義為：有效操作與系統(tǒng)全部運行操作之比。在一個具體應用系統(tǒng)中，有效操作的時空占空比有：宏觀時域占空比、宏觀區(qū)域占空比、微觀時域占空比和微觀區(qū)域占空比。以下以一個嵌入式應用系統(tǒng)--熱流量計為例來描述這4個占空比的概念。

1.2.1 有效操作的宏觀時域占空比Tdc

Tdc定義為系統(tǒng)運行時域上有效操作時間OPact與全部運行時間OPtot之比。由于嵌入式應用中CPU的高速運行與有限任務操作的差異，常常會形成有效操作高諧小量的時域占空比現(xiàn)象。例如，在熱流量計中，要采集、處理的物理參數(shù)有熱水的入口溫度、出口溫度和流量計數(shù)值。由于這些參數(shù)的大慣量特征，在滿足采集精度要求下，一次采集循環(huán)周期為10 min，然而系統(tǒng)完成一次采集、處理、存儲、送顯示的時間只需2 s，如圖1所示。那么，該系統(tǒng)的有效操作時間OPact為 2 s，全部操作循環(huán)時間OPtot為600 s，系統(tǒng)宏觀有效操作時域占空比為

1.2.2 有效操作的宏觀區(qū)域占空比Sdc

有效操作宏觀區(qū)域占空比定義為：系統(tǒng)運行時，有效操作區(qū)域Sact與系統(tǒng)全部區(qū)域Stot之比。由于系統(tǒng)運行時，并不是所有電路單元都處于有效操作狀態(tài)，特別是在單CPU系統(tǒng)中，所有功能單元都是在CPU的輪流控制下運行，致使系統(tǒng)的各部分電路輪流進入有效操作狀態(tài)。例如，在熱流量計中，在有效操作時域OPact中，除CPU外，采集、處理、存儲、送顯示的4個主體操作是輪流進行的，如圖2所示。如果按等區(qū)域原則最粗略地估算，可以算出該系統(tǒng)宏觀有效操作的區(qū)域占空比為在系統(tǒng)硬件設計中，如果有意識地按任務進程，對系統(tǒng)電路進行粗略的劃分，形成相對獨立任務運行空間，這樣便可較準確地計算出Sdc值。