低功耗设计
电子设计中的低功耗电路设计
电子设计中的低功耗电路设计
在电子设计中，低功耗电路设计是非常重要的一个方面。
随着移动设备、物联
网设备和可穿戴设备等新兴市场的快速发展，对于电池续航时间和电源效率的需求也越来越高。
因此，采用低功耗电路设计能够有效延长设备的使用时间，并提高设备的性能和稳定性。
低功耗电路设计的关键在于尽可能减少电路的功耗，在不影响功能的情况下降
低电路的能耗。
以下是一些常用的低功耗电路设计技术：
1. 采用低功耗元件：在设计电路时选择功耗较低的元件，比如低功耗微处理器、低功耗传感器等。
这些元件能够在满足功能需求的同时降低整体功耗。
2. 优化电路结构：通过合理的电路布局和设计，可以减少电路的功耗。
减小电
路中的阻抗、降低电压和电流等都是有效的方法。
3. 采用节能模式：在设备空闲或低负载状态下，可以采用休眠模式或节能模式
来降低功耗，进而延长电池的使用时间。
4. 优化电源管理：采用高效的电源管理芯片或方案，根据实际需求动态调整电
源供应，避免不必要的能量浪费。
5. 降低时钟频率：对于一些实时性要求不高的电路，可以适当降低时钟频率来
减少功耗。
总的来说，低功耗电路设计是一项综合考虑功耗、性能、稳定性和成本的工作。
在实际设计中，需要结合具体的应用场景和需求来选择合适的低功耗设计方案，以实现最佳的电路性能和功耗平衡。
通过不断的优化和调整，可以设计出更加节能高效的电子设备，满足用户对电池续航时间和电源效率的需求。
低功耗设计技术研究
低功耗设计技术研究在当今物联网时代，越来越多的设备需要长时间运行且不能频繁充电，因此低功耗设计技术变得越来越重要。
本文将探讨低功耗设计技术的研究现状和未来发展趋势。
1. 低功耗设计技术的概念和分类低功耗设计技术主要是指在设备运行时降低功耗，以延长电池寿命或减小能耗。
低功耗设计技术可分为系统级低功耗和电路级低功耗两类。
系统级低功耗主要针对整个系统的设计和运行进行优化，通过降低CPU频率、增加睡眠模式等措施减少功耗。
电路级低功耗主要是通过优化电路设计、改进电路器件材料等方法实现功耗降低。
2. 低功耗设计技术的研究现状目前，低功耗设计技术已经得到了广泛应用。
在芯片设计方面，一些公司已经推出了采用新型工艺的低功耗芯片，其功耗降至几毫瓦以下。
同时，也有不少开源项目涉及低功耗设计，例如开源无线通信协议LoRa、Zigbee等，这些协议致力于提高传输效率，实现低能耗。
在电子设备方面，低功耗的设备也得到了广泛应用。
例如，智能手表、可穿戴设备、智能家居等，这些设备采用低功耗设计技术，能够长时间运行，大大降低了用户充电频率，提高了用户体验。
3. 低功耗设计技术的未来发展趋势未来，低功耗设计技术的发展将呈现以下趋势：（1）采用新型工艺：采用新型工艺可以实现芯片功耗降低，例如三维集成电路、多层封装技术等。
（2）引入人工智能：通过人工智能技术，可以实现设备的自动管理，及时发现设备功耗异常并进行优化，实现最佳能耗状态。
（3）应用新型材料：采用新型材料可以大幅降低功耗，例如使用铌酸锂晶体可实现电容功耗降低。
（4）加强数据安全：随着物联网设备数量的增加，数据安全问题越来越严重。
采用低功耗技术还需注重设备安全性设计，避免被黑客攻击泄露用户数据。
4. 结论综上所述，低功耗设计技术现已广泛应用于各个领域，并不断发展壮大。
未来将进一步引入新科技、新材料，提高设备的安全性和数据处理能力。
在物联网时代，低功耗设计技术将扮演越来越重要的角色。
单片机的低功耗设计及优化策略
单片机的低功耗设计及优化策略随着科技的不断发展，电子产品在我们生活中起着越来越重要的作用。
而单片机作为一种嵌入式系统，广泛应用于各种电子设备中，其低功耗设计和优化策略变得至关重要。
本文将探讨单片机低功耗设计的原理和常用的优化策略，旨在帮助开发人员实现更高效、更节能的单片机设计。
一、低功耗设计的原理单片机低功耗设计的原理在于降低电流的流动，以减少功耗。
常用的低功耗设计原理如下：1. 系统优化：对系统电源电压进行优化选择，通过选择低压芯片和低功耗型号的单片机，降低整个系统的功耗。
2. 电源管理：采用电源管理芯片和低功耗外围器件，可以控制单片机的电源模式，实现动态功耗管理。
例如，使用可调节的降压型稳压器，可以根据功耗需求调整电源电压，以达到节能效果。
3. 时钟管理：合理利用单片机的时钟控制功能，通过控制时钟频率和时钟周期时间，降低单片机的功耗。
例如，使用低功耗晶振或睡眠模式下降低时钟频率，可有效降低功耗。
4. 休眠模式：单片机的休眠模式可以使其进入低功耗状态，以降低功耗。
通过设置合理的休眠模式，可在没有任务执行时将单片机置于低功耗状态，以延长电池寿命。
5. IO口管理：将不需要工作的IO口设置为输出或输入禁用状态，以减少功耗。
此外，通过适当控制IO口的模式和电平切换，可以降低功耗。
二、低功耗设计的优化策略除了上述低功耗设计原理外，还有许多优化策略可以进一步提高单片机的低功耗性能。
以下是一些常用的单片机低功耗优化策略：1. 任务定时器：合理使用任务定时器来控制任务执行的频率和时间，避免不必要的任务执行，降低功耗。
2. 省电模式切换：根据任务需求和功耗要求，合理选择省电模式。
比如，在需要长时间等待外设响应的任务中，可以将单片机切换到睡眠模式，以降低功耗。
3. 降低频率：合理选择单片机的工作频率，并根据任务需求进行动态调整。
通过降低工作频率，可以减少功耗。
4. 适当关闭外设：对于不需要使用的外设，应及时禁用或关闭，减少功耗。
电子设计中的低功耗设计技术
电子设计中的低功耗设计技术随着移动设备和物联网的蓬勃发展，对电子设备的功耗要求变得越来越严苛。
在电子设计中，低功耗设计技术成为了一项重要的技术需求。
低功耗设计技术的应用可以延长设备的续航时间，减少设备的发热量，提高设备的稳定性和可靠性。
本文将介绍电子设计中常见的低功耗设计技术及其应用。
首先，低功耗设计技术中的关键是降低设备的静态功耗和动态功耗。
在静态功耗方面，采用低功率的处理器和传感器组件是关键因素。
采用先进的制程工艺（比如FinFET工艺）可以有效降低器件的漏电流，从而降低设备的静态功耗。
此外，优化设备的供电管理机制，合理控制设备的休眠状态和唤醒状态也能有效降低设备的静态功耗。
在动态功耗方面，采用节能算法和优化软件设计是关键措施。
通过合理设计算法，减少处理器和传感器的工作频率和工作电压，降低设备的动态功耗。
另外，合理设计软件架构，优化代码结构和算法，减少不必要的计算和通信开销，也能有效降低设备的功耗。
此外，低功耗设计技术还包括了功率管理技术和电源管理技术。
功率管理技术主要包括动态电压调整（DVS）和动态频率调整（DFS）等技术，通过根据设备的负载情况动态调整电压和频率，从而实现节能的目的。
电源管理技术主要包括高效的DC-DC转换器和低功耗的睡眠模式设计，能够有效地提高设备的能效比和续航时间。
总的来说，低功耗设计技术在电子设计中扮演着重要的角色。
通过降低设备的静态功耗和动态功耗，采用先进的制程工艺和优化算法设计，可以有效实现设备的低功耗设计。
未来随着技术的不断发展，低功耗设计技术将会越来越成熟，应用范围也将会越来越广泛。
希望本文对大家对低功耗设计技术有所了解和启发。
低功耗设计
msp430F149有3个时钟源，分别是高频振 荡器LFXT2，一般外接8MHZ晶振，低频振 荡器LFXT1，一般外接32.768KHZ的手表晶 振，DCO是内部振荡器，工作频率可选，系 统默认是800KHZ，最高可工作到10MHZ， 有相应的设置寄存器
由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的 时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下， 打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
一个复杂的CPU集成度高、功能强，但是 片内晶体管多，总漏电流大，即使进入 STOP状态，漏电流也变得不可忽视；而 简单的CPU内核不仅功率低，成本也低
PN结在截止时流过的很微小的电流。在D-S 没在正向偏置，G-S反向偏置，导电沟道打 开后，D到S才会有电流流过。但实际上由 于自由电子的存在，自由电子的附着在sio2 和N+、导致D-S有漏电流。
选择带有低功耗模式的系统 低功耗模式指的是系统的IDLE、STOP和 SUSPEND模式。处于这类模式下的单片机功 耗将大大小于运行模式下的功耗。
对于一个数字系统而言，其功耗大致满足 公式：P=CfV^2。其中C为系统的负载电容， V电源电压，f为系统工作频率。功耗与电源电 压的平方成正比，因此电源电压对系统的功耗 影响最大，
低功耗设计
低功耗设计并不仅仅是为了省电， 更多的好处在于降低了电源模块及散 热系统的成本、由于电流的减小也减 少了电磁辐射和热噪声的干扰。 随着设备温度的降低，器件寿命 则相应延长（半导体器件的工作温度 每提高10度，寿命则缩短一半）
低功耗单片机 选用尽量简单的CPU内核 在选择CPU内核是切忌一味追求性能。 选择的原则应该是够用就好，8位机够用，就 没有必要选用16位机。一般来说，单片机的运 行速度越快，功耗越大。
超低功耗单片机msp430
低功耗设计的原理
低功耗设计的原理低功耗设计是指通过降低电路或系统的功耗，以实现更长的电池续航时间或更少的能源消耗。
在如今电池寿命短、能源供应有限的背景下，低功耗设计变得越来越重要。
下面将从电源管理、电路设计和软件优化等方面介绍低功耗设计的原理。
一、电源管理1. 选择低功耗组件：在设计电路时，应尽量选择低功耗的组件，例如低功耗微控制器、低功耗传感器等。
这些组件具有较低的静态功耗和动态功耗，能够有效降低整体功耗。
2. 睡眠模式设计：通过在系统中设计睡眠模式，降低待机功耗。
在睡眠模式下，关闭不必要的模块和功能，进入低功耗状态。
在实际使用中，应根据实际需求选择合适的睡眠模式和唤醒机制。
3. 降压和功耗优化：采用降压技术可以使芯片和外围设备在较低的电压下工作，从而降低功耗和能耗。
此外，通过功耗优化算法，合理分配能量需求，减少不必要的能源消耗。
二、电路设计1. 优化时钟频率：时钟是电路中最大的功耗源之一，因此通过降低时钟频率可以有效降低功耗。
在设计过程中，选择适当的时钟频率，避免过高的频率导致功耗过大。
2. 电源管理单元(PSU)设计：通过合理配置电源管理单元，实现对系统的有效电源控制。
包括电源切换、电源管理和电源监测等功能，可以降低系统的功耗。
3. 优化功率放大器：在模拟电路设计中，功率放大器通常是功耗最大的部分之一。
通过优化功率放大器结构和电流控制，降低功耗是一种常用的设计方法。
三、软件优化1. 休眠与唤醒机制：合理利用休眠与唤醒机制，将系统在闲置状态下的功耗降到最低。
通过软件设置合适的休眠模式和唤醒方式，在不影响系统正常工作的前提下降低功耗。
2. 任务调度与优化：通过优化任务调度算法，合理分配任务执行优先级和时间片，减少CPU空闲时间和功耗。
合理利用中断，减少循环检测时间，优化任务执行时间等也可以降低系统的功耗。
3. 数据传输与处理优化：在数据传输和处理过程中，通过减少数据传输次数和数据处理时间，以及合理选择数据压缩和数据加密算法等手段，降低系统的功耗。
低功耗设计的原理与应用
低功耗设计的原理与应用简介随着便携设备的普及和物联网的兴起，对于低功耗设计的需求越来越高。
在设计电子产品或者系统时，低功耗是一项非常重要的考虑因素。
本文将介绍低功耗设计的原理与应用，并提供一些实用的技巧。
原理低功耗设计的原理主要包括以下几个方面：1.优化架构设计在系统的架构设计上，可以通过合理的分离电源域、对模块进行功耗分析等方式来降低整个系统的功耗。
例如，在便携设备中，可以将不常使用的模块进行休眠或关闭，以达到降低功耗的目的。
2.使用低功耗元件选择低功耗元件是低功耗设计的核心。
例如，选择低功耗的处理器、低功耗的传感器等都可以有效降低整个系统的功耗。
此外，还可以使用低功耗的时钟源、低功耗的电源管理芯片等来进一步降低系统功耗。
3.节能算法和策略在软件开发中，通过使用节能算法和策略，例如动态电压和频率调节（DVFS）、功率管理引擎等，可以在保证系统功能的前提下实现最佳的功耗控制。
这些算法和策略可以根据系统的不同需求进行定制，以达到最大化功耗降低的效果。
应用低功耗设计的应用非常广泛，特别适用于以下场景：1.便携设备便携设备，如智能手机、平板电脑等，由于电池容量有限，对功耗的要求非常高。
通过采用低功耗设计，可以延长设备的待机时间，提高用户体验。
2.物联网物联网中的传感器节点通常需要长时间运行，并且需要通过有限的能量供应进行工作。
通过低功耗设计，可以延长传感器节点的工作时间，减少更换电池的频率。
3.嵌入式系统嵌入式系统通常需要长时间运行，并且功耗限制较严格。
通过采用低功耗设计，可以提高系统的使用寿命，并降低能源成本。
实用技巧在进行低功耗设计时，可以考虑一些实用技巧来提高设计效果和减少功耗消耗：•使用睡眠模式对于不常使用的模块或元件，可以将其置于睡眠模式，以降低功耗。
例如，对于便携设备的屏幕，在不使用时自动关闭或切换到低功耗模式可以有效节省电力。
•优化电源管理合理设置电源管理，包括开启和关闭电源域，并通过电源管理芯片进行控制，可以降低系统功耗。
低功耗设计物理实现方法
低功耗设计物理实现方法
低功耗设计物理实现方法有很多，以下列举了一些常见的方法：
1. 电源管理：通过使用功率管理电路和适当的电源管理策略，可以降低电路的静态功耗。
例如，使用睡眠模式以及动态电压和频率调节技术可以降低电路在闲置状态下的功耗。
2. 时钟管理：减少时钟频率可以降低电路的功耗。
通过优化时钟分配和时钟树设计，可以消除时钟冗余和减小时钟延迟，从而降低功耗。
3. 电路优化：通过使用优化的电路设计技术，如逻辑合成和优化、布局和布线优化，可以减小电路的面积和功耗。
4. 错误容忍设计：使用纠错码、校验位等技术来检测和修复数据传输过程中发生的错误，从而减少重传或重新计算的次数，降低功耗。
5. 采用低功耗器件和技术：选择具有低功耗特性的器件和技术，如低功耗CMOS器件、偏置和传输门技术，可以降低电路的
功耗。
6. 优化电源网络设计：通过设计适当的电源网络和电源噪声滤波器，可以降低功耗和噪声干扰。
7. 动态电压和频率调节：根据电路的工作负载情况，动态调整电压和频率，以降低功耗和延长电池寿命。
8. 优化数据传输：采用更高效的通信协议和数据传输机制，减少数据传输的次数和数据传输的距离，从而降低功耗。
9. 优化功耗分析：使用功耗分析工具和技术，对电路进行功耗建模和分析，找出并优化功耗较高的部分。
以上仅列举了一些常见的低功耗设计物理实现方法，具体的实践中还可以根据具体的需求和应用场景做出更具体的优化和调整。
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合理的算法实现软硬件划分
– 复杂繁琐的计算由硬件完成 – 控制功能由软件完成 – 最小处理器负载和总线传输
优化算法的硬件实现
– 尽量使用简单的算法实现
优化的编码方案
– 微处理器的地址线使用Gray码编码
2006-4-20
第八章 低功耗设计
11
短路功耗
短路功耗
– Short-Circuit Power Dissipation – 开关过程中，电流从电源(VDD)流向地(GND)产生的功耗 – 短路功耗约占CMOS器件功耗的10%
PShortCircuit = VDD I ShortCircuit
2006-4-20
第八章 低功耗设计
24
低功耗门级设计
简化逻辑和映射电路
– 利用无关项简化逻辑和电路 – 选择
2006-4-20
第八章 低功耗设计
25
利用无关项简化逻辑
AB + C D + ABC + ACD
AB + C D + BC
利用无关项和卡诺图简化逻辑并减少门数
第八章 低功耗设计 29
减少假跳变
通过修改逻辑结构平衡 路径延迟 通过减小较快路径上的 门尺寸平衡路径延迟 通过在较快路径上插入 缓冲器平衡路径延迟 使用锁存器防止毛刺的 传播 使用自定时技术降低毛 刺传播深度
逻辑电路中的毛刺(Glitch)
2006-4-20
第八章 低功耗设计
30
使用锁存器防止毛刺传播
短路电流
– Short-Circuit Current – 当有较大的容性负载时，短路电流降低 – 当没有容性负载时，短路电流最大
2006-4-20
第八章 低功耗设计
12
动态功耗
动态功耗
– Dynamic Power Dissipation – – – – 动态功耗产生于逻辑门开关过程中 动态功耗是与频率相关的 动态功耗是CMOS器件功耗的主要来源 动态功耗约占CMOS电路总功耗的90%
2006-4-20
第八章 低功耗设计
8
CMOS反相器功耗参数
CMOS反相器功耗参数
PAverage = PStatic + PDynamic + PShortCircuit
2006-4-20 第八章 低功耗设计 9
CMOS反相器的负载电容充放电
CMOS反相器在两种状态下 (a)负载电容充电 (b)负载电容放电
– 程序和数据存储器访问相关的功耗 – 通过系统互连传输数据所需功耗 – 存储器单元内部的功耗
存储器功耗优化
– 减少对存储器的访问次数 – 划分为分别具有各自时钟的独立存 储器模块 – 较大存储器划分为较小存储器模块 存储器划分
2006-4-20 第八章 低功耗设计 40
低功耗算法级设计
低功耗算法设计
2006-4-20
第八章 低功耗设计
41
算法实现的软硬件划分
软硬件划分举例
2006-4-20
第八章 低功耗设计
42
算法的低功耗硬件实现
普通FIR滤波器的实现 其中与常系数的乘法可以用移位加操作实现
2006-4-20
第八章 低功耗设计
43
信号编码优化
十进制 二进制 0 1 2 3 4 5 6 7 000 001 010 011 100 101 110 111 跳变数 0 1 2 1 3 1 2 1 Gray码 000 001 011 010 110 111 101 100 跳变数 0 1 1 1 1 1 1 1
2006-4-20
第八章 低功耗设计
33
预计算结构举例
使用预计算结构的比较器(A>B) 当A和B的最高位不同时，n-1位比较器被禁用
第八章 低功耗设计
2006-4-20
34
低功耗结构级设计
并行结构 流水线结构 分布式处理 电源管理 存储器优化
2006-4-20
第八章 低功耗设计
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并行结构
在相同吞吐率的情况下， 并行结构的时钟频率可以 减半，相应的可以降低电 源电压，从而降低大量功 耗，但是是以增加电路面 积为代价的
应用抽象层次 RTL、门级 RTL、门级 晶体管级 RTL、门级 RTL、门级 门级 低功耗设计工具
功能 功耗估计 功耗优化 功耗估计 功耗分析 功耗优化 功耗分析和估计
2006-4-20
第八章 低功耗设计
46
低功耗设计指南 (1)
最有效的功耗优化技术是较高层次的优化
– 算法级优化、结构级优化
使用低功耗工艺和库 通过降低动态功耗各影响因素来降低动态功耗
2006-4-20
第八章 低功耗设计
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通过电路逻辑降低功耗
使用更多的静态逻辑电路，减少动态逻辑电路 通过逻辑优化，降低开关活动性 优化时钟和总线负载 使用更优的电路技术，降低器件数量 全定制设计可以改善功耗，但增加设计成本 在非关键路径上降低电源电压，适当调整晶体管大小 使用多阈值电压逻辑电路 优化时序电路编码
2006-4-20
第八章 低功耗设计
26
选择最优的电路实现形式
(a) Out = AB+AC+CD (b) Out = A(B+C)+CD (c) Out = AB+C(A+D) 假设信号A的活动性最高， (a)中A到Out经过了三个门 (b)中A到Out经过了两个门 (c)中A到Out经过了四个门 因此(b)是最优的电路方案
第八章 低功耗设计
37
分布式处理
低功耗分布式处理(Distributed Processing)
2006-4-20
第八章 低功耗设计
38
电源管理
ASIC/SoC中的时钟控制模块
多时钟域举例
2006-4-20 第八章 低功耗设计 39
存储器优化
存储器的功耗是芯片总功耗较大 的一个组成部分，约占40% 存储器功耗的类型
功耗估计技术
– 基于仿真的功耗估计 – 功耗估计和优化可以由EDA工具完成
2006-4-20
第八章 低功耗设计
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低功耗设计工具
EDA工具 DesignPower Power Compiler PowerMill PowerTheater Analyst PowerTheater Designer PrimePower
2006-4-20
第八章 低功耗设计
20
系统集成降低功耗
使用频率较低的系统时钟
– 高频率时钟由片上PLL产生
高层次集成
– 把片外存储器和其他外设芯片集成到片内
2006-4-20
第八章 低功耗设计
21
低功耗设计流程
低功耗设计流程
2006-4-20 第八章 低功耗设计 22
各种优化层次的功耗改善
优化方法 算法级 结构级 RTL级 门级 晶体管级 功耗节省比例 ~75% ~50% ~15% ~5% ~3%
低功耗并行结构(Parallelism) (a) 参考结构 (b) 并行结构
2006-4-20
第八章 低功耗设计
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流水线结构
低功耗乘法器的流水线结构(Pipelining) 由于各级流水线之间的电路减少， 可以在相同的延迟要求下降低电源电压， 同时，各级流水线之间的寄存器降低了毛刺传播深度
2006-4-20
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低功耗的应用
电池提供电源的便携式系统
– 笔记本电脑、掌上型电脑、语言翻译器、音乐播放器等 – 微处理器功耗，I/O设备功耗，如硬盘、LCD等
移动通信产品
– 移动电话、无线通信、PDA、传呼机等
高性能工作站和计算机的处理器 其他应用
– WLAN、计算器、助听器等
2006-4-20
第八章 低功耗设计
2006-4-20
第八章 低功耗设计
10
静态功耗
静态功耗
– Static Power Dissipation – 静态功耗产生于逻辑门输出稳定状态 – 静态功耗与频率无关 – CMOS器件的静态功耗一般是非常低的
PStatic = VDD I Leakage
漏电流
– Leakage Current – 漏电流由亚阈值晶体管操作引起，并与器件工艺相关 – 大量的静态漏电流说明设计存在严重问题
6
功耗
功耗
2006-4-20
第八章 低功耗设计
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功耗的定义
功耗
– Power Dissipation – 电源的电能转化为热能的量
P =V I
CMOS器件的功耗来源
– 静态功耗，Static Power Dissipation – 短路功耗，Short-Circuit Power Dissipation – 动态功耗，Dynamic Power Dissipation
2006-4-20
第八章 低功耗设计
18
通过结构优化降低功耗
使用电源管理技术，关闭不工作的模块 基于并行、流水线的低功耗结构 存储器架构划分，有选择的使能存储器块 降低全局总线的数量 最小化指令集，从而简化指令译码和执行逻辑
2006-4-20
第八章 低功耗设计
19
通过算法优化降低功耗
最小化运算数量，从而减少所需硬件资源 使用适当的数据编码方案，减少开关活动
第八章 低功耗设计
15
低功耗设计层次
低功耗设计技术依赖于多个设计层次
– – – – – 工艺、器件 电路、逻辑 结构级 算法级 系统级
高层次的优化对降低功耗效果显著 功耗优化方法需要认真考虑各层次的低功耗技术