基于ARM的便携式系统的功耗管理

基于ARM的便携式系统的功耗管理

本文主要对硬件及系统的功耗管理作一些介绍。 arm微处理器因其高性能和低功耗的特性，特别适合于便携式系统的应用。而系统级的问题对于有效的功耗管理也是非常重要的。

    功耗管理电路能尽可能地降低便携式系统的用电量。最主要的优点是延长电池的使用寿命，当然还有其他一些优点，如减少散热量等。充分了解系统各部分组件的耗电情况、降低系统哪部分耗电量比较合理等问题是至关重要的。功耗管理是由软件、处理器、外设、电源等一起构成的系统问题。

    处理器

    便携式系统的处理器中有大量与系统其他电路相连的开关晶体管，消耗了大量的电能。因处理器运行着软件，所以可使其中某些不执行任务的部件关断或减慢运行速度。

    CMOS基础

    处理器由CMOS电路构成。下面的公式显示了功耗P，CMOS门电容C，开关频率f及供电电压V之间的关系：

    对一个具体的处理器来说，CMOS门电容C是个常量。但开关频率f和供电电压V可根据实际的应用要求而调整。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支持：

    处理器厂商通常会指定一些工作电压与频率之间的组合配置。

    处理器空闲模式(Idle Mode)

    现今，几乎所有的处理器设计都有空闲模式。在空闲模式状态下，处理器的时钟停止，以减少处理器在空闲状态下的功耗。当操作系统发现处理器当前没有可执行的任务时，便将处理器置于空闲状态。当系统发生中断时，处理器从空闲状态被唤醒。大多数系统都有操作系统计时器中断，因此，处理器在一秒钟之内可能几千次地进出空闲状态。值得注意的是：处理器空闲模式仅影响处理器本身，但对系统的其他硬件不产生任何影响。

    电压与频率的配比

    电压与频率的动态变化关系非常有趣。从单纯CMOS的角度来看，执行每一个指令所需的能耗是相同的，因此降低CMOS频率几乎无法减少耗电量。空闲状态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，处理器仅仅是加快了完成工作的速度，但在空闲状态下停留的时间会更长。若电压随着频率一起降低，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，功耗便能大大减少。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好处。有研究[1]表明：在供电不稳定或电压峰值比较大的情况下，电池将不能有效地工作。空闲模式时间比较长的系统可能会出现这种情况，这主要取决于电池技术及与系统进出空闲模式频率相关的电源滤波。仔细的系统分析和测试可以确定：只是动态地改变频率能否为某个具体系统的功耗优化带来好处。

    同时改变电压和频率是当前移动式电脑处理器常用的技术。处理器制造商可能会详细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重要。必须注意的是：要谨慎控制电源电压的变化率，并令其与处理器要求相匹配；在频率变化过程当中，处理器的某些部分可能需要关闭。

    最近，arm与国半(National Semiconductor)共同宣布，电压技术将最终集成到处理器中去。处理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况。

    处理器外设

    多数基于arm的处理器，都在片内集成了大量的外设模块。外设不被使用的时候，在允许的情况下要关闭其时钟输入。支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、处理器功耗管理电路、唤醒电路。

    因SDRAM里面的内容受到保护，系统的运行状态可以存入SDRAM里保存。以下是进入睡眠模式的典型步骤：1. 用户指定、超时、低电量状态等因素启动了挂起模式；2. 操作系统调用驱动程序把外设调整到节电状态；3. 处理器未保存的寄存器存入SDRAM；4. SDRAM进入自刷新模式；5. 处理器进入挂起模式。在该模式下，处理器的时钟停止，系统中各供电模块关闭。

    重新恢复的次序与挂起次序相反，由处理器的唤醒信号或处理器内部唤醒信号源(如实时计时警报)启动。系统执行挂起模式是个庞大的任务，必须了解如何将系统中所有的外设切换到节电状态。

    对于PDA类产品，挂起模式时功耗仅为10mW左右。系统在运行及挂起状态之间可以轻易切换，只需用短短的10ms。

    系统关闭状态

    对PDA类系统来说，挂起状态虽然已大大减小了功耗，但系统在挂起状态下也仅能维持数周。因而需要一种关闭模式，像系统没有电源一样。这种模式在电池耗尽时可以有效地保护电池不被损坏；同时可使PDA类产品在安装有电池的情况下进行运输和储存。

    软启动

    大多数系统需要一种软启动功能，软启动的时候，处理器被复位，但是SRAM里面的内容仍旧保持。目前，大部分便携式系统都选择在RAM中存储用户文件，这是一项非常有用的功能。

    硬件

    有许多外设硬件需要为功耗管理作特殊考虑。

    显示及背光

    在PDA系统中，显示设备的耗电最多。目前，有许多类型的显示设备，但大多数现代的PDA产品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。虽然在光线充足的情况下可以看清屏幕上的内容，但是考虑到阅读的舒适度，还是需要把背光灯打开。目前，以下两类背光灯应用得比较普遍：

    LED背光灯耗电较少，但是有许多其他缺点。

    若在短时间内没有任何输入，目前大部分便携式系统设计都会把背光关闭。在许多应用里(如：音乐播放器等)，关闭显示器是可以接受的。
 低功耗SDRAM

    许多系统都使用低功耗的SDRAM，工作电压为1.8~2.5V(而不是通常的3.3V)。用1.8V代替3.3V，将大大延长便携式系统的运行时间和挂起时间。

    SDRAM支持多种低功耗状态。当系统处于挂起状态时，SDRAM将进入自刷新状态。在该状态下，除了CKE，所有对SDRAM的信号都无效，SDRAM自己管理自身的刷新。当系统处于运行或空闲状态时，SDRAM也可进入电源关闭状态。

    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。另外，应注意避免在音频电路的功耗模式切换中发出刺耳的噪声。

    电源

    集成电路电源厂商不断改进产品。先进的开关电源支持MHz级的开关速率，减小了电路所需的电容和磁场。在高速开关频率下，必须谨慎设计电源的布局布线，使电源的控制回路能正常工作。若开关电源在挂起状态下运行，它应该支持一种低功率模式，只输出挂起状态所需的极低功率就可以了。这通常被称为双模式开关电源。

    备用电源

    如果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态下进行主电池替换的时候对系统继续供电。多数PDA类系统使用一个小电池做备用电源，以满足系统挂起状态下的供电需要。

    紧急情况

    一般硬件需要能够支持一些紧急情况。最重要的事件是电池缺电。在此状态下，操作系统必须被告知系统电量低，然后操作系统无条件将系统转入挂起状态。另一种危急事件是电池耗尽。此时电池的电能还没有真的全部耗尽，但为了保护电池，电池将不再对外放电。这种事件由少数极低功耗硬件处理，硬件电路监测到这种状态后，将把主电池从系统中断开。需要注意的是，断电后所有SDRAM存储器里的内容都将丢失。

    漏电问题

    漏电问题可能是当系统进入挂起状态后面临的头号问题。当集成电路断电后，若某个输入信号仍维持为高电平，就会产生漏电问题。如图3，集成电路在输入端有一个保护二极管，电流将经过保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可预知的上升，同时在系统应该使用极小能量的情况下浪费了大量的电能。解决这个问题的方法是：在集成电路断电前，确定每个输入信号(有保护二极管的)的电平为低，在挂起状态下不能驱动转为低信号的则必须加缓冲器。

    结语

    便携式设备的电能管理已成为系统的一部分。若希望设计出成功的产品，需要充分地了解系统并注意其中的各种细节。