便攜式電子產(chǎn)品的應(yīng)用層和后臺(tái)節(jié)能技術(shù)分析

作者：國(guó)家半導(dǎo)體公司 Abdul Aleaf

新一代的便攜式電子產(chǎn)品不得不采用集成度更高、耗電更高的芯片，才可支持那些受用戶歡迎的功能。然而，用戶同時(shí)也希望新產(chǎn)品有較長(zhǎng)的電池壽命，無需頻繁地充電。為了滿足客戶這種近乎矛盾的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須考慮采用任何有助削減系統(tǒng)功耗的技術(shù)。

這些節(jié)能技術(shù)基本上可以按照其執(zhí)行方式分為應(yīng)用層技術(shù)及后臺(tái)技術(shù)兩大類。應(yīng)用層技術(shù)由應(yīng)用程序本身來執(zhí)行，以打印機(jī)為例，最后一份文件完成打印之后，打印機(jī)便會(huì)改用低功率模式。后臺(tái)技術(shù)由工作系統(tǒng)、后臺(tái)任務(wù)或硬件來執(zhí)行，因此完全或幾乎不受主要應(yīng)用任務(wù)控制。外設(shè)活動(dòng)監(jiān)控電路便是一種后臺(tái)技術(shù)，其特點(diǎn)是可將顯示器背光系統(tǒng)或磁盤馬達(dá)的電源切斷。

應(yīng)用層技術(shù)

看似簡(jiǎn)單的手持式遙控器其實(shí)設(shè)計(jì)很復(fù)雜，因?yàn)樗年P(guān)閉模式并非真正關(guān)閉。事實(shí)上，遙控長(zhǎng)期處于等待狀態(tài)，以便用戶可以隨時(shí)、隨手便按。任何按鈕一經(jīng)觸動(dòng)，遙控器便會(huì)從低功率的睡眠模式中喚醒，然后進(jìn)入完全活躍模式。較為先進(jìn)的電子產(chǎn)品可能會(huì)在開啟及關(guān)閉之間添加多個(gè)不同的模式，例如時(shí)鐘被固定在可以接受的最低速度，而暫時(shí)未用的電路模塊則全部關(guān)閉，以便節(jié)省用電。

調(diào)低工作占空比是一個(gè)可為許多系統(tǒng)解決節(jié)能問題的方案。例如，建筑物的暖風(fēng)/通風(fēng)/空調(diào)系統(tǒng)的傳感器或控制器節(jié)點(diǎn)真正做出響應(yīng)的時(shí)間只有幾秒或幾分鐘。這些系統(tǒng)在大部分時(shí)間之內(nèi)都處于低功率模式的睡眠狀態(tài)，喚醒之后，便立即向傳感器取樣或發(fā)出新的控制輸出，由喚醒至完成工作全部時(shí)間不超過一秒，然后便回到睡眠狀態(tài)，直至下一次為止。喚醒信號(hào)可以由硬件計(jì)時(shí)器發(fā)出，這個(gè)計(jì)時(shí)器配置成可以按照固定的周期時(shí)間觸發(fā)的系統(tǒng)。

工作模式也可以由外來信號(hào)控制。例如，控制門鎖的無匙門禁系統(tǒng)可能長(zhǎng)期處于低功率的睡眠狀態(tài)，一旦檢測(cè)到鍵盤上的按鍵閉合便喚醒無匙門禁系統(tǒng)。就上述情況而言，多輸入喚醒(MIWU)支持便很有用，因?yàn)檩斎?輸出端口的狀態(tài)一旦有變，多輸入喚醒功能便會(huì)喚醒處于低功率模式的中央處理器。執(zhí)行MIWU功能的邏輯電路模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控端口管腳及外設(shè)接口，以便檢測(cè)狀態(tài)是否改變。MIWU功能一經(jīng)設(shè)定，便可喚醒處于低功率模式的系統(tǒng)，然后發(fā)出CPU中斷信號(hào)。只要采用多輸入喚醒功能，系統(tǒng)在等待輸入信號(hào)時(shí)便無需先執(zhí)行鍵盤掃描環(huán)路或其他監(jiān)控軟件，因此可以大幅降低功耗。

1．協(xié)議規(guī)定的低功率模式

部分通信協(xié)議可以支持多種不同的低功率模式。例如，按照無線藍(lán)牙通信協(xié)議的規(guī)定，藍(lán)牙設(shè)備有三種低功率模式可供選擇：

探測(cè)模式(sniff mode)—藍(lán)牙設(shè)備以較低的占空比偵聽局部藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)(微微網(wǎng))，占空比的大小由微微網(wǎng)主設(shè)備和從設(shè)備互相協(xié)商而定。經(jīng)過協(xié)商同意后，主設(shè)備及從設(shè)備都可各自發(fā)出指令，以便進(jìn)入探測(cè)模式。已進(jìn)入探測(cè)模式的主設(shè)備及從設(shè)備也可各自發(fā)出指令以脫離探測(cè)模式。

保持模式(hold mode)—藍(lán)牙設(shè)備可以按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間段停止偵聽微微網(wǎng)，停止時(shí)間的長(zhǎng)短由主設(shè)備及從設(shè)備通過協(xié)商預(yù)先決定。經(jīng)過協(xié)商同意后，主設(shè)備及從設(shè)備都可各自發(fā)出指令，以便進(jìn)入保持模式。預(yù)定的停止時(shí)間一旦屆滿，保持模式便會(huì)自動(dòng)終止。

暫停模式(park mode)—藍(lán)牙設(shè)備已終止與網(wǎng)絡(luò)的連接，但仍與該信道保持同步。主設(shè)備決定從設(shè)備是否采用暫停模式。從設(shè)備可以提出采用或停用暫停模式的請(qǐng)求，但采用暫停模式與否完全由微微網(wǎng)主設(shè)備決定，主設(shè)備只需發(fā)出相關(guān)指令便可。

在以上的模式之中，探測(cè)模式的占空比最高，其次是保持模式，暫停模式的占空比最低。如果藍(lán)牙設(shè)備已停止在微微網(wǎng)上的任何活動(dòng)，可以進(jìn)入低功率模式，但由微微網(wǎng)主設(shè)備發(fā)出控制暫停與否的控制命令。

2．硬件支持的低功率模式

嵌入式微控制器通常設(shè)有至少一個(gè)低功率模式，以支持應(yīng)用層的電源管理功能。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 CP3000系列連接處理器采用先進(jìn)的電源管理技術(shù)，其中內(nèi)置的兩個(gè)12MHz及32.768kHz振蕩器負(fù)責(zé)支持四個(gè)不同模式：

活躍模式—有關(guān)應(yīng)用以 12MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率全速運(yùn)行。片上鎖相環(huán)路時(shí)鐘乘法器負(fù)責(zé)提供24MHz的中央處理器時(shí)鐘，也為USB節(jié)點(diǎn)控制器提供48MHz的時(shí)鐘。

節(jié)能模式—CPU及指定的外圍器件都由32.768kHz的時(shí)鐘負(fù)責(zé)為其提供時(shí)鐘信號(hào)，12MHz的振蕩器及鎖相環(huán)路可能會(huì)被關(guān)閉。

空閑模式—CPU及指定的外設(shè)沒有時(shí)鐘為其提供時(shí)鐘信號(hào)，由32.768kHz振蕩器為其提供時(shí)鐘信號(hào)的看門狗計(jì)時(shí)器可以被編程，以脫離空閑模式?？梢詫?duì)MIWU模塊進(jìn)行編程，當(dāng)在某個(gè)端口管腳上檢測(cè)到上升或下降邊沿，觸發(fā)系統(tǒng)脫離空閑模式。

停止模式—將32.768kHz的振蕩器關(guān)閉。MIWU模塊仍繼續(xù)運(yùn)行，使外部信號(hào)可以觸發(fā)系統(tǒng)脫離停止模式。

我們可以利用不同的方式來執(zhí)行這些模式，以便達(dá)到節(jié)能的目的。雖然沒有一套現(xiàn)成的規(guī)律可以適用于所有系統(tǒng)，但表1列出了將應(yīng)用電源管理模式映射到藍(lán)牙及CP3000模式的實(shí)際應(yīng)用。



表：將工作模式映射到協(xié)議及硬件兩種模式

3．如何處理未使用的外設(shè)

對(duì)于大部分的微處理器設(shè)計(jì)來說，只要關(guān)閉沒有使用的外設(shè)，便可降低功耗。CP3000系列芯片分別為每一外設(shè)模塊提供使能位，該芯片可以支持非常多的外設(shè)，根本沒有哪種應(yīng)用可以完全用到這些外設(shè)模塊，因此必定有部分外設(shè)模塊暫時(shí)未用。為了降低功耗，這些未用的外設(shè)模塊必須全部關(guān)閉。

由于外設(shè)所需的時(shí)鐘頻率與系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率不同，也由于外設(shè)的時(shí)鐘頻率不受所采用的電源管理模式控制，因此CP3000芯片的時(shí)鐘合成模塊負(fù)責(zé)為這些外設(shè)提供獨(dú)立的時(shí)鐘。為了盡量節(jié)省電能，應(yīng)關(guān)閉這些未用外設(shè)的輔助時(shí)鐘。

4．如何處理未使用的端口管腳

如果任由沒有被驅(qū)動(dòng)的CMOS輸入端電壓浮動(dòng)至介于邏輯電平0與1之間的輸入電壓范圍，將會(huì)產(chǎn)生額外的功耗。如果I/O端口配置為輸入端，而且任由其自由浮動(dòng)，上述情況便有可能出現(xiàn)，因此任何沒有外部驅(qū)動(dòng)或拉高/拉低的輸入端口都應(yīng)配置為輸出端。CP3000端口電路設(shè)有可編程的上拉功能，以避免未驅(qū)動(dòng)的輸入端電壓自由浮動(dòng)。

CP3000的端口管腳在芯片復(fù)位后配置為輸入端，這是CP3000芯片的預(yù)設(shè)配置。采用這樣的配置是有必要的，因?yàn)橥饨釉赡軙?huì)驅(qū)動(dòng)這些端口。這些端口如果預(yù)設(shè)為輸出端，微控制器與外接元件可能會(huì)在復(fù)位后互相爭(zhēng)奪使用緩沖區(qū)。因此，有關(guān)應(yīng)用有責(zé)任在復(fù)位后配置沒有被驅(qū)動(dòng)的端口管腳。

后臺(tái)電源管理技術(shù)

后臺(tái)的電源管理技術(shù)之間可能會(huì)產(chǎn)生相互影響，因此應(yīng)用程序必須對(duì)其進(jìn)行處理，或者對(duì)于應(yīng)用程序完全透明。即使它們對(duì)應(yīng)用程序是透明的，軟件設(shè)計(jì)工程師也需要設(shè)置中斷或其他資源，以便為這些電源管理技術(shù)提供支持。這些軟件設(shè)計(jì)工程師也可能需要了解這些技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行，以免應(yīng)用程序與電源管理技術(shù)之間出現(xiàn)意想不到的干擾。例如，不必要的顯示刷新或磁盤存取工作可能會(huì)對(duì)其中部分工作流程造成干擾，使已停止使用一段時(shí)間的顯示器背光系統(tǒng)或磁盤馬達(dá)無法關(guān)閉。

1．活動(dòng)監(jiān)控程序

許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的外設(shè)如顯示器背光系統(tǒng)及磁盤馬達(dá)比微控制器更耗電。對(duì)于這類設(shè)計(jì)來說，專門監(jiān)控個(gè)別外設(shè)的活動(dòng)監(jiān)控程序可以大幅改善系統(tǒng)的功效?；顒?dòng)監(jiān)控程序有自己的計(jì)時(shí)器，受監(jiān)控的外設(shè)無論進(jìn)行哪樣的工作，都可避免計(jì)時(shí)器超過其設(shè)定時(shí)限。如果計(jì)時(shí)器出現(xiàn)溢出或下溢(出現(xiàn)哪種情況取決于計(jì)時(shí)器的設(shè)置)，會(huì)將外設(shè)關(guān)閉或?qū)⒅糜诘凸β誓Ｊ健?

典型的活動(dòng)監(jiān)控程序利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)提供的服務(wù)設(shè)定后臺(tái)任務(wù)，以便處理預(yù)定發(fā)生的事件，其中包括所有活動(dòng)監(jiān)控程序的更新。有關(guān)的后臺(tái)任務(wù)必須提前設(shè)定，以便RTOS可以按照某一固定頻率定時(shí)調(diào)用任務(wù)，一般來說每10至100毫秒(ms)之內(nèi)調(diào)用一次。一旦已發(fā)出任務(wù)調(diào)用，該任務(wù)將查找任何預(yù)計(jì)發(fā)生的、需要被執(zhí)行的任務(wù)，之后處于懸置狀態(tài)，直至再發(fā)出調(diào)用。

系統(tǒng)也可利用旗語(Semaphores)或任務(wù)之間的消息傳遞來告知某外設(shè)接入。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用后臺(tái)任務(wù)時(shí)，會(huì)先核查是否已收到信號(hào)。如果有關(guān)信號(hào)仍未收到，計(jì)數(shù)器會(huì)增加。如果計(jì)數(shù)器出現(xiàn)溢出，系統(tǒng)便會(huì)關(guān)閉外設(shè)；如果信號(hào)已收到，計(jì)數(shù)器便會(huì)進(jìn)行復(fù)位。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可能會(huì)對(duì)復(fù)位信號(hào)進(jìn)行聲明(assert)，這個(gè)信號(hào)用于對(duì)該設(shè)備進(jìn)行存取。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用對(duì)設(shè)備進(jìn)行存取的驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序可以對(duì)后臺(tái)任務(wù)聲明這個(gè)信號(hào)。如果驅(qū)動(dòng)程序本身沒有這個(gè)功能，工程師可以先修改驅(qū)動(dòng)程序的源代碼，然后加以重新編譯，以提供這個(gè)功能，但這樣將使驅(qū)動(dòng)器不是標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)程序。如果必須確保相關(guān)源代碼及程序可與驅(qū)動(dòng)器程序庫(kù)的新版兼容，可以選擇一個(gè)具有較高可移植性的解決方案，這個(gè)方案將實(shí)現(xiàn)一套函數(shù)或宏，這套函數(shù)或宏發(fā)送復(fù)位信號(hào)，然后調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器。

活動(dòng)監(jiān)控功能也可以利用硬件實(shí)現(xiàn)。外設(shè)進(jìn)行存取時(shí)，計(jì)時(shí)器可以監(jiān)控硬件的活動(dòng)信號(hào)。計(jì)時(shí)器是自由運(yùn)行的計(jì)數(shù)器，每當(dāng)受監(jiān)控信號(hào)被聲明后，計(jì)時(shí)器便會(huì)復(fù)位。如果計(jì)時(shí)器出現(xiàn)溢位，便會(huì)向CPU發(fā)出中斷信號(hào)，中斷服務(wù)例行程序隨后便會(huì)關(guān)閉相關(guān)的外設(shè)。

硬件監(jiān)控器的響應(yīng)可能比軟件監(jiān)控程序快，但對(duì)于監(jiān)控外設(shè)的監(jiān)控程序來說，速度通常并不重要。即使利用軟件方案關(guān)閉顯示器背光系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)100ms的延遲，但對(duì)電池壽命來說，所產(chǎn)生的影響可以說微不足道。而且，完全利用軟件進(jìn)行監(jiān)控的解決方案也比較容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榛顒?dòng)監(jiān)控程序只需集中處理一項(xiàng)工作，而且工程師可以只理解源代碼，不必對(duì)硬件計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)有任何了解。此外，軟件方案具有較高的可移植性，因?yàn)樗粫?huì)局限于任何特定的硬件計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)。但軟件方案需要占用較多的CPU帶寬，如果系統(tǒng)需要經(jīng)常對(duì)受監(jiān)控的外設(shè)進(jìn)行存取，這是一個(gè)需要慎重考慮的問題。

2. 電壓調(diào)節(jié)

如果芯片的工作頻率低于其最高上限，很多時(shí)候可以調(diào)低工作電壓，并且數(shù)字邏輯電路仍有足夠的時(shí)序余量。只要因應(yīng)頻率的轉(zhuǎn)變調(diào)節(jié)電壓，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)功能基本上通過開放環(huán)路控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，辦法是首先設(shè)定多個(gè)不同的頻率與電壓的固定組合，每當(dāng)工作頻率有變，電壓便會(huì)根據(jù)與該頻率相配的電壓值做出相應(yīng)修改。另一方面，自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)功能則通過閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，方法是利用片上傳感器決定最低可予接受的供電電壓，其優(yōu)點(diǎn)是比采用開環(huán)的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)方式節(jié)省更多電能。

CMOS 功耗是開關(guān)(動(dòng)態(tài))功率及漏電功率的總和：

P=PSWITCH+PLEAKAGEC×VDD2Af+VDD×ILEAKAGE

上述公式中：

C 是數(shù)字系統(tǒng)的開關(guān)電容，VDD是供電電壓，f是開關(guān)時(shí)鐘頻率，A是開關(guān)活動(dòng)因子，ILEAKAGE是漏電電流。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)采用列表的方法，將不同的頻率與工作所需的供電電壓配對(duì)，顯示以某一頻率工作所需的供電電壓。每一時(shí)鐘頻率所需的供電電壓會(huì)因不同產(chǎn)品的不同要求而異，而且有關(guān)的電壓值必定設(shè)定為最糟糕情況下所需的電壓，以便滿足不同芯片工藝技術(shù)及不同系統(tǒng)工作溫度的要求。圖1顯示動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。換言之，頻率會(huì)調(diào)低，而供電電壓也會(huì)隨著調(diào)低。由于上述有關(guān)功耗的公式之中的兩個(gè)可變項(xiàng)f及VDD2都減小，因此系統(tǒng)的功耗會(huì)大幅下降。當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)管理器確定工作頻率需要增加，功率管理單元將首先要求改變電壓，一段時(shí)間后時(shí)鐘發(fā)生器將切換到高的工作頻率。提高電壓所需的時(shí)間可以通過不同的途徑?jīng)Q定，例如可以由片上計(jì)時(shí)器(VDD_OK)決定，也可根據(jù)系統(tǒng)的功能要求或電源管理單元的狀態(tài)標(biāo)記做出決定。但有一點(diǎn)需要注意，對(duì)于以最高頻率工作的固定電壓系統(tǒng)來說，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能不會(huì)為系統(tǒng)帶來任何功耗的節(jié)省。



圖1：動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)硬件系統(tǒng)

AVS技術(shù)與開環(huán)DVS技術(shù)不同，AVS技術(shù)設(shè)有反饋電路，讓片上硬件性能監(jiān)控電路(HPM)可以為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供反饋信號(hào)。由于硬件性能監(jiān)控電路設(shè)于微控制器之內(nèi)，所采用的工藝技術(shù)與微控制器所用的完全相同，而且工作時(shí)處于與系統(tǒng)相同的溫度環(huán)境內(nèi)，因此允許將電源電壓調(diào)節(jié)到器件能夠接受的實(shí)際極限。根據(jù)最接近系統(tǒng)真正需要的頻率調(diào)節(jié)供電電壓，而非為假設(shè)的最壞情況提供供電。

圖2 顯示AVS實(shí)現(xiàn)的框圖。整個(gè)電路系統(tǒng)由以下4個(gè)功能模塊組成：硬件性能監(jiān)控電路、先進(jìn)電源控制器(APC)、PowerWise接口(PWI)及電源管理單元(PMU)。PWI接口由ARM公司及美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體合作開發(fā)，可為內(nèi)置的先進(jìn)電源控制器提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙線控制接口，以便控制外接的PMU。由這幾個(gè)功能模塊組成的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以為工作在任何頻率、溫度或者硅工藝的器件提供最小的電源電壓。



圖2：自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)硬件系統(tǒng)

APC利用來自硬件性能監(jiān)控電路的輸入信號(hào)來確定是否存在任何的電源電壓優(yōu)化方法。APC通過PWI將電壓調(diào)節(jié)指令傳送至PMU，而PMU便按照請(qǐng)求提供所需的供電電壓。HPM不斷監(jiān)控工作在最新調(diào)節(jié)電壓下的芯片。如果能采用進(jìn)一步的優(yōu)化措施，APC會(huì)發(fā)出最新的電壓調(diào)節(jié)指令。電源必須按照APC的命令適時(shí)地調(diào)節(jié)其供電電壓，以便AVS控制系統(tǒng)的反饋環(huán)路能夠穩(wěn)定。



圖3：自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)功能降低了功耗

無論嵌入式計(jì)算系統(tǒng)以哪一頻率(包括最高頻率)工作，AVS技術(shù)都能獲得近乎最佳的工作功率。最大工作頻率下微控制器的電源電壓規(guī)范能確保系統(tǒng)在即使采用最差的硅工藝技術(shù)情況下，芯片也可在最高工作溫度環(huán)境下正常工作。但一般來說真正的工作溫度都比規(guī)定的最高溫度低，而芯片的工藝技術(shù)一般都比最壞的情況好。在這樣的情況下，即使以最高頻率工作，仍有足夠空間將電壓進(jìn)一步調(diào)低。開環(huán)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)則不具有這個(gè)特點(diǎn)，但AVS技術(shù)則可利用片上HPM的反饋來發(fā)現(xiàn)這種額外的性能，即使是在最高的工作頻率下，APC也能控制PMU將工作電壓調(diào)低。

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