摘要：低功耗是嵌入式系統的發展趨勢，也是便攜式嵌入式設備設計中要解決的關鍵問題之一。對影響嵌入式系統功耗的因素進行了分析，指出了降低系統功耗的途徑，從硬件設計和軟件設計兩個方面闡述了超低功耗嵌入式系統設計的技巧。
關鍵詞：超低功耗；嵌入式系統；硬件設計；軟件設計
無論是在軍事還是在商業上的應用，便攜式嵌入式系統一般是由可充電電池來供電的，因此，采用有效的節能技巧來改進系統的軟硬件設計，降低系統的功耗以增加電池供電設備的使用時間，是便攜式嵌入式系統設計中需要研究和解決的關鍵問題。
1 影響功耗的因素
1．1 集成電路功耗
CMOS倒相器在集成電路分析中具有非常重要的意義，常用它來進行集成電路延遲時間和功耗的分析。CMOS倒相器如圖1所示，圖2是倒相器的直流傳輸特性曲線。
若電路處在靜態(不發生狀態翻轉)并忽略漏電流的前提下，反相器的功耗幾乎為零，如圖2中的AB段和CD段。當電路發生狀態翻轉時，N管和P管具有同時導通的一段時間，此時從電源通過2個管子流向地的電流iD達到一個很高的峰值，如圖2對應于BC段的電流。很大的電流意味著較高的功率消耗和熱能的損失，這在時鐘頻率較高時尤為突出。時鐘速度越高意味著每秒鐘狀態的切換次數就越多，也意味著更多的電能損耗。除此之外，在工作時還存在著靜態漏電功耗，下面對這2類功耗分別進行分析。
1．1．1 動態功耗
CMOS倒相器從一種穩定工作狀態突然轉變到另一種穩定狀態的過程中，將產生附加的功耗，稱之為動態功耗。這一功耗是由2部分組成的，一部分是瞬時導通功耗PT，另一部分是對負載電容充放電所消耗的功率PC，其表達式為：
式(1)中，VDD為電源電壓；ITC為2個管同時導通所產生的瞬時電流，不是固定的數值，如圖2所示；a為活動因子，表示電容充放電的平均次數相對于開關頻率的比值；CL為進行充放電的等效負載電容，包括柵電容、節點電容、互連電容等；f為開關頻率，即電路的工作頻率。
1．1．2 靜態漏電功耗
靜態漏電功耗是由亞閾值電流和反向偏壓電流造成的。在集成電路中，動態功耗是整個CMOS集成電路功耗的主要組成部分，一般約占電路總功耗的90％以上，靜態漏電功耗占電路總功耗的1％以下，因而在大多數情況下可以忽略。
1．2 其他功耗
①純電阻元件上消耗的功率。電阻為耗能元件，只要電路中使用電阻，就存在著能量消耗。
②有源開關器件在狀態轉換時，電流和電壓比較大，將引起功率消耗。
③非理想元件由于等效電阻的存在而消耗的功率。如電路中的儲能元件電感和電容，理想情況下它們是不消耗能量的，但是實際使用的電感和電容都存在著等效串聯電阻(ESR)，就意味著能量的消耗。
④印制電路板中的走線上消耗的功率，如電源線由于電阻的存在會造成電能的損耗，實際中地線上也存在著電流的流動。由于導線阻抗的存在，串聯單點接地的不同接地點之間會存在著電位差，因此在這些地線上也存在著能量的消耗。
2 降低系統功耗的途徑
①降低集成電路的動態功耗。根據式(1)可知，要降低集成電路的動態功耗，途徑有：a．降低活動因子，也就是降低電容充放電的平均次數。b．降低電源電壓。因為動態功耗與電壓的平方成正比，瞬時導通功耗與電壓成正比，因此在滿足電路速度的前提之下，降低電源電壓是降低電路功耗的最有效的辦法。c．降低負載電容。為了減小負載電容，在工藝方面可以選擇小的器件，物理實現時減小連線的長度。d．降低開關頻率，在式(1)中，電路的功耗與工作頻率成正比，因此降低時鐘頻率可以直接降低動態功耗。
②盡可能選用靜態功耗小的CMOS集成芯片，以降低系統的靜態漏電功耗。
③盡可能地減少純電阻的使用。純電阻是耗能元件，電能直接轉化為熱能消耗掉了，所以要盡可能地避免電阻的使用。
④減少有源開關器件的使用。有源開關器件(如晶體管)在狀態轉換期間有比較大的電流消耗，減少這類器件的使用有助于減小功耗。
3 設計技巧
3．1 硬件方面
在器件選擇上，要盡量實現全CMOS化的硬件設計。在設計超低功耗系統時，要對電源電壓、時鐘頻率以及靜態功耗進行控制，并遵循系統硬件設計的4項基本原則：電壓能低就不高，頻率能慢就不快，系統能靜(態)就不動(態)，電源能斷就不通。
3．1．1 微處理器選擇
隨著低功耗系統需求的增加，很多單片機廠商都推出了自己的低功耗產品，如Philips公司的P8XLPC系列，TI公司的MSP430系列，Micro-chip公司的PIC單片機以及NXP公司的ARM Cortex-M0系列。如果處理器本身具有超低功耗特性，首先必須能在低電壓和低頻率工作，其次還要看單片機自身的特性，看是否是面向超低功耗應用而設計的單片機，需要對處理器的工作模式、工作電流、休眠電流、掉電電流作詳細的統計。
Microchip公司采用nanoWatt XLP(eXtreme Low Power)極低功耗技術的MCU的典型電流消耗為：掉電電流小于100 nA；看門狗電流消耗小于800 nA；實時時鐘和日歷電流消耗小于800 nA。該公司的PIC24F16KA系列的MCU，典型休眠電流可以低至20 nA，實時時鐘電流490 nA，看門狗定時器電流370 nA。該系列的MCU可使應用連續運行20年以上而無需更換電池。
NXP公司采用ARM Cortex-M0內核的LPCllxx系列32位處理器的能耗僅為85μW／MHz，此系列處理器的功耗統計如表1和表2所列。
3．1．2 外圍集成電路
與TTL數字集成電路相比，CMOS數字集成電路在低功耗特性上具有無可比擬的優越性能。在存儲容量需求較小的條件下，采用FRAM代替一般的Flash或E2PROM，將會節省很多電能，因為FRAM的寫入功耗是Flash和E2PROM的1／1 000～1／100 000。
3．1．3 低電壓供電
目前許多芯片的電源電壓范圍都比較寬，系統的功耗和系統的供電電壓存在著一定的函數關系。對于純電阻電路，功耗為P=V2／R；對于容性負載電路，動態功耗為，見式(1)。從以上2式可以看出，系統的功耗與系統供電電壓的平方成正比。當供電電壓由5 V降到3．3 V時，功耗將減少50％以上；當電壓降到1．8 V時，功耗將減少80％以上，如圖3所示。
3．1．4 分區供電
分區供電就是要控制電源供電部分，需要對電源進行分割，使系統功能模塊的電源供電相對獨立，同時實現其可控設計，便于獨立供電和動態管理；在閑置時利用開關控制各個部分的關斷，以節省電能。在系統休眠或掉電工作時關掉外圍電路的電源，僅僅保留CPU和定時器電路的電源。分區控制電源電路示意圖如圖4所示。
圖4中的晶體管用作電源開關，控制電源VCC向分區供電部分供電，供電控制端接到處理器的輸出引腳上。對于圖4(a)中的PNP管，高電平切斷分區供電部分的電源，低電平使PNP晶體管導通，此時VCC向分區供電部分供電；對于圖4(b)中的NPN管，供電情形則相反。
3．1．5 低頻工作方式
低功耗微處理器中幾乎全部采用CMOS器件，而CMOS集成電路的結構決定了它的靜態功耗幾乎為零，僅在邏輯狀態發生翻轉的過程中電路中有電流流過。所以它的動態功耗和它的邏輯轉換頻率成正比，和電路的邏輯狀態轉換時間成正比。所以CMOS集成電路從降低功耗的角度上來說應當快速轉換，低頻工作。
當程序在Flash中運行，VDD=3．3 V時，LPCllxx處理器功耗如表2所列。
3．1．6 電源轉換芯片選擇
手持設備一般是由電池供電，為獲得較長的電池使用時間，一般采用DC／DC開關電源或LDO(Low Drop Outregulatot，低壓差線性穩壓器)。在價格允許的前提下，最好選擇那些效率高、靜態電流小，并且有使能端的芯片。效率高是為了減少電池能量在轉化的過程中造成的損失。靜態電流小可以減小芯片在待機狀態的漏電流功耗。選擇具有使能端的芯片可以利用微處理器進行關斷控制，有利于獨立供電支路功耗的管理。凌力爾特公司的DC／DC芯片LTC3417具有高達95％的效率和低于1μA的靜態電流，已經在作者的有源手持機項目中得到了應用，取得
了顯著的低功耗效果。
3．1．7 I／O引腳供電
可以直接利用嵌入式微處理器的I／0引腳為外部設備提供電源，如圖5所示，只要這些I／O接口的驅動能力足以驅動外部設備。
3．1．8 MCU時鐘
單片機的工作頻率和功耗的關系很大，頻率越高功耗越大。處理器動態改變CPU時鐘的具體做法是：在CPU等事件發生時，引腳輸出低電平，增大電阻將會降低內部的時鐘的頻率；當需要處理事務時，輸出高電平減小電阻，提高時鐘頻率。實現這一技術的方法如圖6所示。當CPU處于等待狀態下可以將I／O引腳輸出低電平，此時內部時鐘頻率降低；當CPU需要處理事務的時候，通過將I／O引腳設定為輸出高電平，電阻Rl的加入將提高時鐘頻率。
3．1．9 未用引腳
處理好處理器和CMOS芯片未用的輸入引腳。若未用的處理器引腳不加以處理，很容易造成電荷積累。根據電量與電容C和電壓U的關系Q=C·U可知，當電荷的累積Q與電容C可比的情況下，就會產生影響引腳電平狀態的U，這個電平會隨著電荷的累積而導致數字邏輯狀態在“O”和“1”之間變化，當輸入引腳電平處于O、1之間的過渡區時，會使電路中反相器的P管和N管都處于導通狀態，導致功耗大大增加。
CMOS電路未用的引腳，一般采取加上拉電阻(1～10 kΩ)的方法處理，為節能起見，阻值要取大一些。
3．1．10 局部電路的節電技巧
①采用RC振蕩器比晶體振蕩器或鎖相環更省電。
②接口電平要盡量匹配，以減少電平匹配電路帶來的額外功耗。
③在保證驅動能力的前提下，電路中應盡可能采用阻值較大的上拉／下拉電阻，以減小在電阻上的能量消耗。
④如果允許，適當降低外部驅動引腳的電壓。
⑤選擇合適的驅動接口參數，以減小緩沖器的使用量。
⑥少用驅動電阻或雙極晶體管，這些器件需維持恒定的電流，從而增加了電能消耗。
3．2 軟件方面
3．2．1 避免查詢方式和延時
A／D轉換器在采集少量的數據時，MCU讀取A／D轉換數據的方式有2種：查詢方式和中斷方式。查詢方式和中斷方式的低功耗特性相差甚遠：使用中斷方式，MCU可以什么都不做，甚至可以進入待機或者停止模式；而查詢方式下，MCU必須不停地讀取I／O端口寄存器，消耗很多額外的功耗。
如果系統的定時器資源充裕，在需要定時的場合，最好采用硬件定時器，當定時器到了定時時間后，向MCU發出中斷請求信號，這樣可以減少MCU的工作時間，進而可以節省功耗。
3．2．2 運行管理
①動態電源管理(Dynamic Power Management，DPM)。有選擇地把閑置的系統部分置于低功耗狀態，從而有效地利用電能。充分利用處理器和外圍電路的低功耗工作模式，當系統和外圍電路不工作的時候，軟件設計時應該使處理器和外圍電路及時地進入待機或者休眠模式。可選擇關斷CPU時鐘或系統時鐘，對時鐘的控制要做到忙時多用、閑時少用、不用關斷。
②間歇性使用電路的控制。對于間歇性使用的外圍電路，在軟件控制中通過片選使能端控制其工作時間。在某些功能沒有使用到時，適時地將嵌入式處理內部電路的全部或部分關斷，或者進入睡眠或待機狀態，同時關閉不用的外圍接口電路，如串口、ADC／DAC、I2C、SPI、PWM等電路。
③未用I／0引腳的軟件處理。對于未用的處理器I／O引腳，軟件中也要進行初始化，若不進行初始化，將有可能會增加單片機的漏電流，最好將其設置為輸入或者輸出，且接一個固定的電平。
3．2．3 用宏代替子程序
宏是在編譯器預處理階段進行替代，而子程序調用中MCU需要進行現場保護。進入子程序之前要將當前的MCU寄存器壓入RAM中分配的棧，在離開的時候，要把棧中的內容彈出來恢復MCU的寄存器，這樣至少會帶來2次對RAM的操作。盡管用宏增加了代碼的長度，但是加快了代碼執行的速度，對于目前很多MCU來說，代碼的Flash空間根本不是大問題，這種做法將會在一定程度上降低系統功耗。
3．2．4 采用高效率算法
①用查表的方法代替實時的計算。特別是在沒有硬件浮點處理單元的MCU進行浮點處理的時候，直接用MCU進行浮點處理將會消耗大量的時間。如果將一些運算的結果事先計算好，存儲在程序存儲器的代碼段中，在需要某個數據時用查表的辦法把數據取出來，可以減少MCU的運算量，有效地降低MCU的功耗。這種處理方法在離散余弦變換和A／D數據采集中能夠帶來可觀的效率提升。
②用移位運算代替乘除法運算。用MCU計算乘除法也是非常耗時的事情，如果盡可能避免直接的乘除運算，而采用左移和右移的辦法來實現，將會減少運算時間，進而節省功耗。如要進行y=x·15的運算，可以轉化為x<<4-x。對于特殊的除法，要采取右移的辦法。如3000÷256可以直接轉化為3 000>>8。當然，除法的移位計算只能針對除數比較特殊的時候。
③采用快速算法。在搜索算法中，使用二分搜索算法和分段查找算法的效率是不同的。理論上可以估算，在1 024個測量值的查找中，二分搜索最壞情況下10次可以查找到結果，順序搜索最壞可能需要1 024次。這個在測量數值更多的情況下更為突出，一個高效率的查找算法有
助于減小程序運行功耗。數字信號處理中的運算，采用FFT和快速卷積等，可以節省大量運算時間，從而減少功耗。
④在精度允許的情況下，使用簡單函數代替復雜函數作近似也是減少功耗的一種方法。