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

作者：國家半導(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，用戶同時也希望新產(chǎn)品有較長的電池壽命，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，以打印機為例，最后一份文件完成打印之后，打印機便會改用低功率模式。后臺技術(shù)由工作系統(tǒng)、后臺任務(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)活動監(jiān)控電路便是一種后臺技術(shù)，其特點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)

看似簡單的手持式遙控器其實設(shè)計很復(fù)雜，因為它的關(guān)閉模式并非真正關(guān)閉。事實上，遙控長期處于等待狀態(tài)，以便用戶可以隨時、隨手便按。任何按鈕一經(jīng)觸動，遙控器便會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)品可能會在開啟及關(guān)閉之間添加多個不同的模式，例如時鐘被固定在可以接受的最低速度，而暫時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)點真正做出響應(yīng)的時間只有幾秒或幾分鐘。這些系統(tǒng)在大部分時間之內(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。喚醒信號可以由硬件計時器發(fā)出，這個計時器配置成可以按照固定的周期時間觸發(fā)的系統(tǒng)。

工作模式也可以由外來信號控制。例如，控制門鎖的無匙門禁系統(tǒng)可能長期處于低功率的睡眠狀態(tài)，一旦檢測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，因為輸入/輸出端口的狀態(tài)一旦有變，多輸入喚醒功能便會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。只要采用多輸入喚醒功能，系統(tǒng)在等待輸入信號時便無需先執(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)入探測模式。已進(jìn)入探測模式的主設(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)定的時間段停止偵聽微微網(wǎng)，停止時間的長短由主設(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)定的停止時間一旦屆滿，保持模式便會自動終止。

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，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)有至少一個低功率模式，以支持應(yīng)用層的電源管理功能。美國國家半導(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12MHz及32.768kHz振蕩器負(fù)責(zé)支持四個不同模式：

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

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

空閑模式—CPU及指定的外設(shè)沒有時鐘為其提供時鐘信號，由32.768kHz振蕩器為其提供時鐘信號的看門狗計時器可以被編程，以脫離空閑模式?？梢詫IWU模塊進(jìn)行編程，當(dāng)在某個端口管腳上檢測到上升或下降邊沿，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)運行，使外部信號可以觸發(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)

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

4．如何處理未使用的端口管腳

如果任由沒有被驅(qū)動的CMOS輸入端電壓浮動至介于邏輯電平0與1之間的輸入電壓范圍，將會產(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，上述情況便有可能出現(xiàn)，因此任何沒有外部驅(qū)動或拉高/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)動的輸入端電壓自由浮動。

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，因為外接元件可能會驅(qū)動這些端口。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在復(fù)位后互相爭奪使用緩沖區(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)動的端口管腳。

后臺電源管理技術(shù)

后臺的電源管理技術(shù)之間可能會產(chǎn)生相互影響，因此應(yīng)用程序必須對其進(jìn)行處理，或者對于應(yīng)用程序完全透明。即使它們對應(yīng)用程序是透明的，軟件設(shè)計工程師也需要設(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)計工程師也可能需要了解這些技術(shù)的實際運行，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對其中部分工作流程造成干擾，使已停止使用一段時間的顯示器背光系統(tǒng)或磁盤馬達(dá)無法關(guān)閉。

1．活動監(jiān)控程序

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

典型的活動監(jiān)控程序利用實時操作系統(tǒng)(RTOS)提供的服務(wù)設(shè)定后臺任務(wù)，以便處理預(yù)定發(fā)生的事件，其中包括所有活動監(jiān)控程序的更新。有關(guān)的后臺任務(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)用后臺任務(wù)時，會先核查是否已收到信號。如果有關(guān)信號仍未收到，計數(shù)器會增加。如果計數(shù)器出現(xiàn)溢出，系統(tǒng)便會關(guān)閉外設(shè)；如果信號已收到，計數(shù)器便會進(jìn)行復(fù)位。

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

活動監(jiān)控功能也可以利用硬件實現(xiàn)。外設(shè)進(jìn)行存取時，計時器可以監(jiān)控硬件的活動信號。計時器是自由運行的計數(shù)器，每當(dāng)受監(jiān)控信號被聲明后，計時器便會復(fù)位。如果計時器出現(xiàn)溢位，便會向CPU發(fā)出中斷信號，中斷服務(wù)例行程序隨后便會關(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)會出現(xiàn)100ms的延遲，但對電池壽命來說，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現(xiàn)，因為活動監(jiān)控程序只需集中處理一項工作，而且工程師可以只理解源代碼，不必對硬件計時器的結(jié)構(gòu)有任何了解。此外，軟件方案具有較高的可移植性，因為它不會局限于任何特定的硬件計時器實現(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)常對受監(jiān)控的外設(shè)進(jìn)行存取，這是一個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)實現(xiàn)，辦法是首先設(shè)定多個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)點是比采用開環(huán)的動態(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)時鐘頻率，A是開關(guān)活動因子，ILEAKAGE是漏電電流。

動態(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，顯示以某一頻率工作所需的供電電壓。每一時鐘頻率所需的供電電壓會因不同產(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顯示動態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。換言之，頻率會調(diào)低，而供電電壓也會隨著調(diào)低。由于上述有關(guān)功耗的公式之中的兩個可變項f及VDD2都減小，因此系統(tǒng)的功耗會大幅下降。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，一段時間后時鐘發(fā)生器將切換到高的工作頻率。提高電壓所需的時間可以通過不同的途徑?jīng)Q定，例如可以由片上計時器(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。但有一點需要注意，對于以最高頻率工作的固定電壓系統(tǒng)來說，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能不會為系統(tǒng)帶來任何功耗的節(jié)省。



圖1：動態(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。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實現(xiàn)的框圖。整個電路系統(tǒng)由以下4個功能模塊組成：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公司及美國國家半導(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標(biāo)準(zhǔn)的雙線控制接口，以便控制外接的PMU。由這幾個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)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)則不具有這個特點，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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