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第8章低功耗设计问题
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功耗问题是近几年来人们在嵌入式系统的设计中普遍
关注的难点和热点，它严重地制约着嵌入式系统的应
用与发展。
为什么低功耗如此重要？无论是在军事还是在商业贸
易上的应用，相当数量的嵌入式系统一般是由电池来
供给电能的，而且大多数嵌入式设备都有体积和质量
的约束。减少电能消耗，不仅能延长电池的使用寿命，
延长用户更换电池的周期，而且能带来提高系统性能
与降低系统开销的好处，甚至能起到保护环境的作用。
在便携式设备中，CPU消耗的电能越少电池的寿命就
越长，同时，散发的热量少了，所需的散热器就少了，
从而可减少该设备的花费和体积，进一步达到简化系
统，使产品尽快进入市场的目标。
低功耗嵌入式应用系统是指以降低系统功耗为一个主
要性能指标的嵌入式系统。实际上节能是全球化的热
潮，如计算机里的许多芯片过去用5V供电，现在用 1
3.3V、1.8V,并提出了绿色电器的概念。
8.1.1 低功耗设计应用的意义
1、低功耗设备的特点
1）首先要求体积小、重量轻、便于携带。
2）采用低功耗电路的设计方法，以降低系统的功耗。它
除了选用各种低功耗的器件和芯片外，还在满足速度
等性能指标的前提下，进行降低功耗的硬件电路设计
和软件设计。
3）有的系统应用在交流供电比较困难，甚至无法用交流
供电的场合，因而各种电池（瓶）就成为其主要供电
手段。
4）采用LCD液晶显示器。
5）采用RS232C串行通信接口。
6）采用微功耗、高抗干扰的CMOS集成电路。
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2、 低功耗系统的优点
1）电池驱动的需要
2）安全的需要
3）解决EMI(电磁干扰）
4）节能的需要
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3. 降低功耗的措施综述
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功耗产生的原因
• P=U*I
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与功耗有关的因素:
（1）电阻上消耗的功率
（2）有源器件的开关转换阶段
（3）集成电路内部和外部电容的充放电
（4）系统的性能指标、负载能力、被处理信号的
工作频率、电路的工作频率、电源的管理水平、
零部件的性能、散热条件、接口的物理性能等
对系统功耗起着重要的作用。
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2)
降低功耗的措施
• 功耗的组成：动态+静态
– 动态电源管理
– 动态电压缩放
– 低功耗硬件设计
– 低功耗软件设计
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3) 元件工艺的低功耗
1. 在集成电路设计中采用低功耗的电路设计
2. 电源设计
3. 存储器(SDRAM、ROM)的高速化与低功耗
4. 高集成度的完全单片化设计
5. 内部电路可选择性地工作
6. 宽电源电压范围
7. 具有高速和低速两套时钟
8. 在线改变CPU的工作频率
9. 后备功能(idle, power-down)
10.使用低功耗的元件
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8.1.2 硬件系统的低功耗设计
• 嵌入式系统的功耗主要由以下3部分组成：
（1）嵌入式处理器的功耗
（2）存储器的功耗
（3）外部设备的功耗
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• 1、选择低功耗的器件
– CMOS电路的特点和选用
• 不用的引脚的处理-输出为高原则
• 选用高速低频工作方式
– 与电磁兼容性矛盾
– 选用低功耗的处理器
– 选用低功耗的通信收发器(网络功能）
– 选用低功耗的存储器件
• 2、选择低功耗的电路形式
– 集成化的电路有利于降低功耗
• 集成化器件比分离件功耗低
– 降低晶振电路的工作频率
• 会降低系统的性能
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• 3、单电源、低电压供电模拟器件
• 例：运算放大器LM324，其单电源电压工作范围
为5-30V，当电源电压为15V时，功耗约为220mW；
当电源电压为10V时，功耗约为90mW；当电源电
压为5V时，功耗约为15mW。低电压供电对于减低
器件电流消耗的作用十分明显。
• 缺点：降低了系统的动态范围
– 数字器件
• 降低电源电压，一般不会有性能影响。
• 4、分区供电降低功耗
• 5、传感器分时供电
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• 6、电源管理单元的设计考虑
（1）全速工作：消耗的功率最大
（2）空闲方式
• 处理器的工作停止
• 可以响应中断
• 可以通过中断退出
（3）掉电方式
1. 不响应中断
2. 只能复位退出
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7、 降低处理器的时钟频率
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8、 降低系统的持续工作电流
– 在一些机电系统设计中，尽量使系统在状态
转换时消耗电流，在维持工作时刻不消耗电
流。例如IC卡水表、煤气表等，在打开和关
闭开关时给相应的机构上电，开关的开和关
状态通过机械机构保持，而不通过电流保持，
可以进一步降低电能的消耗。
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8.1.3 软件系统的低功耗设计
1、编译低功耗优化技术不同的指令执行的时间不
同，消耗的功率不同。采用编译优化：
（1）代码大小
（2）执行时间
（3）节省功率
目前实现起来比较困难
2、硬件软件化
– 只要是硬件电路，必然消耗功率
– 方案
硬件完成的工作由软件实现：信号的抗干扰处理、滤波等
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3、尽量减少处理器的工作时间
• 嵌入式系统中，CPU的运行时间对系统的
功耗影响极大，故应尽可能的缩短CPU的
工作时间，较长地处于空闲方式或掉电方
式是软件设计降低单片机系统功耗的关键。
在开机时靠中断唤醒CPU，让它尽量在短
时间内完成对信息或数据的处理，然后就
进入空闲或掉电方式，在关机状态下让它
完全进入掉电方式，用定时中断、外部中
断或系统复位将它唤醒。
• 这种设计软件的方法是所谓的事件驱动的
程序设计方法。
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4、采用快速的算法
• 数字信号处理中的运算，采用如FFT和快速卷积等，
可以大量节省运算时间，从而减少功耗；
• 在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数
作近似，也是减少功耗的一种方法。
5、通信系统中提高通信的波特率
• 在多机通信中，通过对通信模块的合理设计，尽量
地提高传送的波特率（即每秒钟串行口传送的数据
位数）提高通信速率，意味着通信时间的缩短。
• 发送、接收均应采用外部中断处理方式，而不采用
查询方式。
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6、数据采集系统中尽量降低采集的速率
• A/D转换需要消耗功率，采集的速度快，则
– 消耗的功率多
– 产生的数据量大，处理数据需要大量的CPU时间，
消耗功率
• 数据处理，抗干扰处理等
– 数据的传输需要消耗功率
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7、软件设计成中断驱动方式
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8、使用睡眠方式
• 许多单片机设有低功耗模式，即睡眠方
式（SLEEP)。使用单片机的睡眠方式可
以减少单片机的工作时间，降低单片机
功耗。
• 便携式智能仪器在较长时间不进行测量
采样和数据处理时，可以让单片机执行
一条“SLEEP”指令，进入低功耗模式。
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9、静态显示
• LED显示方式
– 静态
• 需要的电路多
• 电路消耗功率
– 动态
• 需要软件刷新扫描
• 刷新操作消耗功率
– 综合计算，选择方案
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8.1.4 电池供电系统设计
• 使用电池的考虑
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工作电压范围多大？
电流消耗速率为多少？
是否有尺寸约束？
系统将使用多长时间？
可以承受的电池价格是多少？
系统在什么温度范围工作？
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关于电池供电系统
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