王 萌

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng)712000）

1 硬件的低功耗設(shè)計(jì)

（1）硬件電路器件。現(xiàn)在很多的電路多采用集成電路CMOS 工藝，相較于TTL 工藝技術(shù)，不僅能夠?qū)㈦娮釉骷南臏p少還能夠減少整個(gè)系統(tǒng)的消耗。由此可見(jiàn)，現(xiàn)在的工藝技術(shù)中應(yīng)該廣泛的使用CMOS 集成電路工藝技術(shù)。

在CMOS 技術(shù)的設(shè)計(jì)方面所需要消耗的功耗是非常小的，但處于動(dòng)態(tài)時(shí)的時(shí)候，電路消耗的功耗很大。

動(dòng)態(tài)功耗公式為：

式中，動(dòng)態(tài)的功耗主要是采用P 來(lái)表示，器件負(fù)載電容主要是采用C 來(lái)表示，電壓采用V 表示，頻率采用f 來(lái)表示。

采用COMS 集成工藝技術(shù)的硬件電路的功耗，主要與電路工作時(shí)的電壓和頻率有聯(lián)系。其芯片不使用的輸入端不能懸空，如果輸入端懸空的話可能存在感應(yīng)信號(hào)，同時(shí)造成電平的高低轉(zhuǎn)換。

（2）低功耗外圍器件的選用。低功耗設(shè)計(jì)首先就是對(duì)電子元件進(jìn)行必要的篩選，具備相同性能的電路，電路的形式是多樣的。比如說(shuō)，在系統(tǒng)立面不管是嵌入式內(nèi)部RAM 亦或者是外部的FLASH 在其功能上都具有一致性。但是同等條件下，讀取RAM 要比讀FLASH 消耗的功率更大。

其次元器件的規(guī)模和集成形式。要使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功耗低，最直接的方式就是保證質(zhì)量和成本的前提下多采用集成度高的元器件和芯片，從而減少設(shè)備的功耗。

（3）微處理器的選擇。在整個(gè)系統(tǒng)之中，以嵌入式設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的功耗之中占據(jù)最大比例的就是CPU。

微處理器的功耗主要分為兩部分：

總功耗=內(nèi)核功耗+外部接口控制器功耗

當(dāng)處理器處于工作狀態(tài)下的電壓是影響功耗的關(guān)鍵因素；其次就是地址總線寬度以及數(shù)據(jù)總線寬度等?？偩€的寬度決定了處理處理能力的強(qiáng)弱，同時(shí)會(huì)影響功耗的高低。要使降低功耗，就需要使總線位數(shù)變窄。

根據(jù)上面說(shuō)敘述的內(nèi)容，要降低微處理器的內(nèi)核功耗，就是想法降低處理器的工作電壓、時(shí)鐘頻率或者兩者都降低[1-2]。

許多處理器的工作電壓可降至2V 以下。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，如果處理器的運(yùn)行電壓相近和系統(tǒng)功能相同的情況下，則可以通過(guò)降低處理器的時(shí)鐘頻率的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。關(guān)于嵌入式微處理器所能夠提供的工作模式有四大類：休眠、正常、空閑和關(guān)機(jī)。

當(dāng)處理器處于高速運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候所消耗的功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于其他狀態(tài)所產(chǎn)生的消耗。我們可以采用相關(guān)的程序，當(dāng)需要處理器進(jìn)行處理的時(shí)候，將其進(jìn)行喚醒，達(dá)到正常工作的狀態(tài)；當(dāng)處理器將所需要處理的程序完畢之后，再次進(jìn)入到空閑的狀態(tài)。

系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，遵循以下幾點(diǎn)：首先處理能力相同的情況下，可通過(guò)降低處理器的時(shí)鐘頻率；然后就是將處理器的功效降低，最后的步驟是將外設(shè)控制器斷開(kāi)。

（4）多CPU 系統(tǒng)。若一個(gè)處理器承擔(dān)著多項(xiàng)工作時(shí)，那么必然需要很高的運(yùn)算速度。這種情況下，還要實(shí)現(xiàn)低功耗就十分不易了，因而多處理器系統(tǒng)，成為發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。

這種方式具是參照需要工作的不同，來(lái)處理不同的工作任務(wù)，從而最大程度發(fā)揮出各自的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的性能發(fā)揮到最大的程度。用單處理器來(lái)完成所有的功能，則需要很高的處理速度，造成很高的功耗，消耗很多能量[2]。多處理器系統(tǒng)會(huì)根據(jù)工作的不同，啟動(dòng)或停止相對(duì)應(yīng)的處理器工作，從而很大程度上控制功耗。

（5）分區(qū)/分時(shí)供電技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)正處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，工作狀態(tài)是實(shí)時(shí)性變化的，在系統(tǒng)之中所有的部分都不會(huì)長(zhǎng)期的處于工作的狀態(tài)，這時(shí)所需要使用的技術(shù)就是分區(qū)/分時(shí)技術(shù)，借助這種方式能夠?qū)⑾到y(tǒng)的功耗減少到最小。

2 軟件的低功耗設(shè)計(jì)

過(guò)去的低功耗研究，主要如何對(duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)、升級(jí)改造來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗。截止到目前為止，相關(guān)的研究人員主要是想提升軟件的升級(jí)以及優(yōu)化來(lái)達(dá)到減少功耗的目的。在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)里，軟件的作用也來(lái)越重要，軟件不僅要進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算處理，還要引導(dǎo)硬件運(yùn)行。

（1）優(yōu)化編譯器。軟件優(yōu)化過(guò)程中首先解決的就是選取適合的編譯方法。從功能的角度上來(lái)看，編譯器主要是將高級(jí)語(yǔ)言程序，翻譯成為可以執(zhí)行的程序。與此同時(shí)，軟件的可讀性和軟件的可維護(hù)性得到保證，同時(shí)提高軟件開(kāi)發(fā)的效率。此外，將編寫的軟件程序下載到新的系統(tǒng)或設(shè)備上，只要把相應(yīng)的編譯器對(duì)軟件進(jìn)行重新編譯就可以了，不必重新設(shè)計(jì)軟件。這樣做當(dāng)然在一些特定情況下，會(huì)影響軟件執(zhí)行的性能[2]。

從實(shí)踐的角度上來(lái)看，程序設(shè)計(jì)的邏輯不同，編寫的指令的多少就不同，處理器執(zhí)行時(shí)間不同功耗也不同。設(shè)計(jì)更合理的邏輯、編程更簡(jiǎn)潔的程序成為軟件低功耗設(shè)計(jì)的核心。當(dāng)編譯器進(jìn)行優(yōu)化以后，此時(shí)能夠?qū)⑸纱a的效率提升，并且能夠使設(shè)備的消耗降低。

（2）采用軟件代替硬件電路。針對(duì)于普通電路，如果能夠通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，就不要選擇硬件，顯然同樣的運(yùn)算過(guò)程，軟件的功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純硬件電路。當(dāng)然這也都不是絕對(duì)的，因?yàn)橛行┯布娐窡o(wú)法通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)所要處理的大量數(shù)據(jù)信息，對(duì)處理器提出更高的性能和功耗要求，同時(shí)也要考慮成本問(wèn)題。

（3）中斷驅(qū)動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，編寫的程序選擇中斷方式還是選擇查詢方式，對(duì)于一些簡(jiǎn)單應(yīng)用并無(wú)區(qū)別，但是兩者的功耗表現(xiàn)卻相差很大。

在關(guān)于嵌入式系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)方面，其主要是由主程序以及其他的子程序組合而成，當(dāng)外設(shè)出現(xiàn)了中斷信號(hào)，從而導(dǎo)致處理器進(jìn)入到了工作狀態(tài)，當(dāng)所有的工作處理結(jié)束之后，處理器就再次進(jìn)入休眠的狀態(tài)。這樣沒(méi)有中斷信號(hào)時(shí)相應(yīng)的硬件電路均處在最低的功耗下。查詢方式，會(huì)使處理器不斷進(jìn)行查詢，導(dǎo)致處理器一直處于工作狀態(tài)，不僅效率低，功耗也大。

（4）定時(shí)器延時(shí)程序的采用。如果軟件方面需要設(shè)計(jì)延時(shí)程序的時(shí)候，應(yīng)通過(guò)定時(shí)器延時(shí)的方式來(lái)解決。通過(guò)這樣的方式是因?yàn)榍度胧教幚砥魅绻谴龣C(jī)模式，處理器會(huì)停止工作，但是定時(shí)器卻不停止工作。當(dāng)定時(shí)工作結(jié)束以后，此時(shí)處理器就會(huì)再次回到工作的狀態(tài)。這樣的操作方式不僅能夠最大程度的減少處理器方面的能源消耗，同時(shí)還能夠?qū)⒐ぷ餍实玫阶畲蟮奶嵘?/p>

（5）算法優(yōu)化。算法優(yōu)化是指對(duì)算法的復(fù)雜度、正確性等性能進(jìn)行優(yōu)化。

遇到的任何工程上問(wèn)題時(shí)，都可以建立成一種最優(yōu)化模型進(jìn)行求解，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、AI 等，它們的本質(zhì)任然是建立優(yōu)化模型，通過(guò)最優(yōu)化方法對(duì)目標(biāo)函數(shù)（或損失函數(shù)）進(jìn)行優(yōu)化，從而訓(xùn)練出最好的模型。

當(dāng)對(duì)嵌入式DSP 實(shí)行算法優(yōu)化操作的時(shí)候，此時(shí)能夠借助很多的計(jì)算方式，這樣可以將時(shí)間成本節(jié)約下來(lái)，還能夠?qū)⒐臏p少到最小。

3 結(jié) 語(yǔ)

文章簡(jiǎn)述了電路低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮的硬件的低功耗設(shè)計(jì)和軟件的低功耗設(shè)計(jì)。硬件低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，從元器件選型，到分時(shí)/分區(qū)供電來(lái)實(shí)現(xiàn)降低功耗的目的。軟件低功耗設(shè)計(jì)則從優(yōu)化編譯器，優(yōu)化算法，中斷驅(qū)動(dòng)等方面，簡(jiǎn)述軟件低功耗設(shè)計(jì)時(shí)所要注意的問(wèn)題?？傊ㄟ^(guò)上述的經(jīng)驗(yàn)和方法能夠有效的降低電路的功耗。