嵌入式零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1.2.3 有效操作的微觀時(shí)空占空比

在數(shù)字系統(tǒng)中，進(jìn)入有效操作狀態(tài)的一個(gè)完整電路中，也不是每一時(shí)刻、每一電路單元都處于有效操作狀態(tài)，同樣可以估算出微觀有效操作的時(shí)域占空比和區(qū)域占空比。

(1)有效操作的微觀區(qū)域占空比μSdc

μSdc定義為：有效操作電路單元中，平均有效操作區(qū)域Aact與全部電路單元區(qū)域Atot之比。例如，熱流量計(jì)在執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)任務(wù)，對(duì)EEPROM進(jìn)行存儲(chǔ)操作時(shí)，EEPROM的三個(gè)操作區(qū)域，即輸入緩沖電路、轉(zhuǎn)換控制電路和EEPROM陣列輪流進(jìn)入有效操作狀態(tài)。設(shè)這三個(gè)區(qū)域有效操作功耗相等，那么，熱流量計(jì)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，存儲(chǔ)器EEPROM的微觀有效操作區(qū)域占空比為

(2)有效操作的微觀時(shí)域占空比μTdc

系統(tǒng)中，所有處于有效操作的電路，真正的有效操作只表現(xiàn)為0、1狀態(tài)的變化操作。因此，電路有效操作的微觀時(shí)域占空比μTdc定義為：電路的動(dòng)態(tài)時(shí)間ATact與全部時(shí)間ATtot之比。例如，在熱流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測(cè)量的邏輯控制電路要根據(jù)溫頻傳感器輸出的信號(hào)脈沖，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量控制。這些操作控制都出現(xiàn)在脈沖的變化沿。設(shè)溫頻傳感器輸出的信號(hào)脈沖頻率為20 kHz，測(cè)控邏輯狀態(tài)變化時(shí)間小于100 ns，可以估算出，在數(shù)據(jù)采集任務(wù)中，頻率測(cè)量控制邏輯電路有效操作的微觀時(shí)域占空比為

1.3 高諧小量時(shí)空占空比與零功耗設(shè)計(jì)

1.3.1 實(shí)際系統(tǒng)中高諧小量的時(shí)空占空比

在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU高速處理能力與實(shí)際任務(wù)操作狀態(tài)以及系統(tǒng)中的微觀靜、動(dòng)態(tài)的巨大差異，導(dǎo)致大量無(wú)謂等待狀態(tài)，形成有效操作的時(shí)、空占空比現(xiàn)象。上述4類(lèi)占空比現(xiàn)象，在許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中都會(huì)存在，而且這4類(lèi)占空比形成乘積效應(yīng)。按照上述估算，熱流量計(jì)總體有效操作的時(shí)空占空比OPdc為

從這里揭示了一個(gè)驚人的現(xiàn)狀，即在一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，有效操作只是全部運(yùn)行操作的高諧小量。這一特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)零功耗設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。零功耗系統(tǒng)按照有效操作時(shí)空占空比實(shí)行精細(xì)的功耗管理，非有效操作期間沒(méi)有功耗，從而使系統(tǒng)功耗與原來(lái)相比達(dá)到趨于零的效果。早期提出零功耗概念，并實(shí)現(xiàn)零功耗設(shè)計(jì)的器件有AMD公司的Flash存儲(chǔ)器Am29SL800B。早先Am28F800B的功耗量級(jí)為100時(shí)，改進(jìn)工藝并降低電壓后的Am29SL800B為20，而實(shí)現(xiàn)零功耗管理的Am29SL800B的功耗則小于0.1?？梢?jiàn)零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)在降低系統(tǒng)功耗中的潛力。

1.3.2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本要求

在不少實(shí)際的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，雖然有效操作時(shí)空占空比不會(huì)是熱流量計(jì)那樣顯著的高諧小量，但一般都會(huì)有0.1 %的量級(jí)。如果能按照系統(tǒng)有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細(xì)的功耗管理，使無(wú)效操作期間沒(méi)有功耗，就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的零功耗。

零功耗是一個(gè)工程概念。零功耗系統(tǒng)是指該系統(tǒng)中沒(méi)有任何功耗浪費(fèi)。因此，零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求如下：

(1)系統(tǒng)中所有的電路單元都具有功耗管理功能，即該電路單元在非有效操作期間都能被關(guān)斷(沒(méi)有功耗)。

(2)系統(tǒng)具有按有效操作時(shí)空占空比實(shí)施精細(xì)功耗管理的能力，能做到多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰(shuí)干誰(shuí)吃的系統(tǒng)功耗分配。

(3)對(duì)于系統(tǒng)無(wú)法企及的微觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，要求由電路靜、動(dòng)特性來(lái)滿(mǎn)足功耗分配，即電路動(dòng)態(tài)過(guò)程有功耗，電路靜態(tài)時(shí)沒(méi)有功耗。

2 零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)

零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)，是按系統(tǒng)中有效操作時(shí)空占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)按需分配的功耗管理。不僅實(shí)現(xiàn)宏觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理，還要實(shí)現(xiàn)微觀有效操作時(shí)空占空比的功耗管理。因此，實(shí)現(xiàn)零功耗管理必須有相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)，這就是CMOS工藝的電路基礎(chǔ)、嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)的智能化控制以及具有功耗管理功能的外圍器件。這些技術(shù)基礎(chǔ)可以滿(mǎn)足零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三個(gè)基本要求。