ARM的便携式系统功耗管理 - 全文

      功耗打点是由软件、措置器、外设、电源等一路组成的系统问题。

   　措置器

　　便携式系统的措置器中有年夜量与系统其他电路相连的开关晶体管，耗损了年夜量的电能。因措置器运行着软件，所以可使其中某些不执行使命的部件关断或减慢运行速度。

　　CMOS基本

　　对一个具体的措置器来说，CMOS门电容C是个常量。但开关频率f和供电电压V可按照现实的应用要求而调整。供电电压V和开关频率f之间还有以下关系需要考虑，即更高的开关频率需要更高的供电电压撑持：

　　措置器厂商凡是会指定一些工作电压与频率之间的组合设置装备摆设。

　　措置器余暇模式(Idle Mode)

　　现今，几乎所有的措置器设计都有余暇模式。在余暇模式状况下，措置器的时钟遏制，以削减措置器在余暇状况下的功耗。当操作系统发现措置器当前没有可执行的使命时，便将措置器置于余暇状况。当系统发生间断时，措置器从余暇状况被叫醒。年夜年夜都系统都有操作系统计时器间断，是以，措置器在一秒钟之内可能几千次地进出余暇状况。值得注重的是：措置器余暇模式仅影响措置器自己，但对系统的其他硬件不发生任何影响。

　　电压与频率的配比

　　电压与频率的动态转变关系很是有趣。从纯挚CMOS的角度来看，执行每一个指令所需的能耗是不异的，是以降低CMOS频率几乎无法削减耗电量。余暇状况的存在是单单降低频率无法节约能耗的原因。在高的时钟频率下，措置器仅仅是加速了完成工作的速度，但在余暇状况下勾留的时刻会更长。若电压跟着频率一路降低，这样每执行一条指令的能耗就随之降低。因为电压的平方V2与功耗P成正比，所以稍稍降低一点电压，功耗便能年夜年夜削减。例如降低电压29%，功耗将降低 50%。

　　从系统的角度来看，改变系统频率可能会带来一些益处。有研究[1]剖明：在供电不不变或电压峰值斗劲年夜的情形下，电池将不能有用地工作。余暇模式时刻斗劲长的系统可能会呈现这种情形，这首要取决于电池手艺及与系统进出余暇模式频率相关的电源滤波。细心的系统剖析和测试可以确定：只是动态地改变频率能否为某个具系一切的功耗优化带来益处。

　　同时改变电压和频率是当前移动式电脑措置器常用的手艺。措置器制造商可能会具体列出一些电压及频率的配比值，然而，系统运行时的电压及频率的动态配比却更为主要。必需注重的是：要谨严节制电源电压的转变率，并令其与措置器要求相匹配；在频率转变过程傍边，措置器的某些部门可能需要封锁。

　　比来，arm与国半(National Semiconductor)配合公布揭晓，电压手艺将最终集成处措置器中去。措置器的电路设计将考虑频率、温度和工艺相关的参数来优化工作电压，而不是仅仅简单地考虑最坏情形。

　　措置器外设

　　年夜都基于arm的措置器，都在片内集成了年夜量的外设模块。外设不被使用的时辰，在许可的情形下要封锁那时钟输入。撑持该外设的其他电路也应该被切断供电。

　　系统挂起模式

　　在系统挂起模式(也称睡眠模式)下，只有以下部件继续工作：SDRAM、措置器功耗打点电路、叫醒电路。

　　因SDRAM里面的内容受到呵护，系统的运行状况可以存入SDRAM里保留。以下是进入睡眠模式的典型轨范：1. 用户指定、超时、低电量状况等身分启动了挂起模式；2. 操作系统挪用驱动轨范把外设调整到节电状况；3. 措置器未保留的寄放器存入SDRAM；4. SDRAM进入自刷新模式；5. 措置器进入挂起模式。在该模式下，措置器的时钟遏制，系统中各供电模块封锁。

　　从头恢复的顺序与挂起顺序相反，由措置器的叫醒旌旗灯号或措置器内部叫醒旌旗灯号源(如实时计时警报)启动。系统执行挂起模式是个复杂的使命，必需体味若何将系统中所有的外设切换到节电状况。

　　对于PDA类产物，挂起模式时功耗仅为10mW摆布。系统在运行及挂起状况之间可以等闲切换，只需用短短的10ms。

　　系统封锁状况

　　对PDA类系统来说，挂起状况虽然已年夜年夜减小了功耗，但系统在挂起状况下也仅能维持数周。因而需要一种封锁模式，像系统没有电源一样。这种模式在电池耗尽时可以有用地呵护电池不被损坏；同时可使PDA类产物在安装有电池的情形下进走运输和储存。

　　软启动

　　年夜年夜都系统需要一种软启动功能，软启动的时辰，措置器被复位，可是SRAM里面的内容模拟仍是连结。今朝，年夜部门便携式系统都选择在RAM中存储用户文件，这是一项很是有用的功能。

　　硬件

　　有良多外设硬件需要为功耗打点作非凡考虑。

　　显示及背光

　　在PDA系统中，显示设备的耗电最多。今朝，有良多类型的显示设备，但年夜年夜都现代的PDA产物都选用反射式薄膜晶体管(TFT)显示加背光灯来做为显示设备。虽然在光线充沛的情形下可以看清屏幕上的内容，可是考虑到阅读的舒适度，仍是需要把背光灯打开。　LED背光灯耗电较少，可是有良多其他错误谬误。若在短时刻内没有任何输入，今朝年夜部门便携式系统设计城市把背光封锁。在良多应用里(如：音乐播放器等)，封锁显示器是可以接管的。

　　低功耗SDRAM

　　良多系统都使用低功耗的SDRAM，工作电压为1.8~2.5V(而不是凡是的3.3V)。用1.8V庖代3.3V，将年夜年夜延迟便携式系统的运行时刻和挂起时刻。

　　SDRAM撑持多种低功耗状况。当系统处于挂起状况时，SDRAM将进入自刷新状况。在该状况下，除了CKE，所有对SDRAM的旌旗灯号都无效，SDRAM自己打点自身的刷新。当系统处于运行或余暇状况时，SDRAM也可进入电源封锁状况。

　　音频

　　应选择具有低功耗模式的音频元件。否则，在系统挂起模式下要切断该元件的电源。此外，应注重避免在音频电路的功耗模式切换中发出难听的噪声。

　　电源

　　集成电路电源厂商不竭改良产物。前进前辈的开关电源撑持MHz级的开关速度，减小了电路所需的电容和磁场。在高速开关频率下，必需谨严设计电源的结构布线，使电源的节制回路能正常工作。若开关电源在挂起状况下运行，它应该撑持一种低功率模式，只输出挂起状况所需的极低功率就可以了。这凡是被称为双模式开关电源。

　　备用电源

　　若是系统的主供电电池是可移动的，则还须设计某种类型的备用电源。备用电源能在挂起状况下进行主电池替代的时辰对系统继续供电。年夜都PDA类系统使用一个小电池做备用电源，以知足系统挂起状况下的供电需要。

　　紧迫情形

　　一般硬件需要能够撑持一些紧迫情形。最主要的事务是电池缺电。在此状况下，操作系统必需被奉告系统电量低，然后操作系统无前提将系统转入挂起状况。另一种求助紧急事务是电池耗尽。此时电池的电能还没有真的全数耗尽，但为了呵护电池，电池将不再对外放电。这种事务由少数极低功耗硬件措置，硬件电路监测到这种状况后，将把主电池从系统间断开。需要注重的是，断电后所有SDRAM存储器里的内容都将丢失踪。

　　漏电问题

　　漏电问题可能是当系统进入挂起状况后面临的头号问题。当集成电路断电后，若某个输入旌旗灯号仍维持为高电平，就会发生漏电问题。如图3，集成电路在输入端有一个呵护二极管，电流将经由呵护二极管直接进入集成电路的电源引脚。这将导致电源电压不成预知的上升，同时在系统应该使用极小能量的情形下华侈了年夜量的电能。解决这个问题的体例是：在集成电路断电前，确定每个输入旌旗灯号(有呵护二极管的)的电平为低，在挂起状况下不能驱动转为低旌旗灯号的则必需加缓冲器。