嵌入式系统低功耗设计研究与实现

华中科技大学硕士学位论文嵌入式系统低功耗设计研究与实现姓名：梁晶申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：阳富民20040429摘要嵌入式系统低功耗设计的目标是在满足用户对性能需求的前提下，尽可能降低系统的能耗，延长设备的待机时间。

随着市场对可移动式嵌入式设备在体积和性能方面要求的不断提升，嵌入式设备小体积、高性能与有限的电池能量之间的矛盾嗣益突出，嵌入式系统低功耗设计是解决这一矛盾的有效手段。

它包括硬件低功耗设计和软件低功耗设计两个方砸。

硬件低功耗设计为整个系统的低功耗运行提供硬件支持。

电路级的硬件低功耗设计主要围绕处理器的低功耗特性和外围芯片的特点，设计处理器的供电电路和外围芯片的电源控制电路：处理器供电电路允许改变处理器内核的输入电压，使处理器内核的工作电压随着不同的处理器时钟频率而改变，以减小处理器的功耗；外围芯片的电源控制电路使处理器能够控制外围芯片电源的开启和关闭，从而能够减小外围芯片的功耗。

软件低功耗设计的主要目标是在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现一套可行的低功耗管理策略，并且采用的技术和算法并不改变Ｌｉｎｕｘ现有的调度机制。

主要工作包括：围绕处理器内核可动态改变时钟频率和工作电压的特点，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现可变电压技术；针对处理器提供的多种工作模式，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现动态功耗管理，控制处理器在适当的时候睡眠或唤醒：针对外部设备的特点，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ中实现外部设备的电源管理机制，包括外部设备的状态监控、睡眠和唤醒操作以及相应的管理策略。

关键字：嵌入式系统，低功耗设计，电源管理，可变电压技术，动态功耗管理ｌＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｉｓｔｏｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆａｎｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍａｎｄｅｘｔｅｎｄｔｈｅｌｉｆｅｔｉｍｅｏｆｂａｔｔｅｒｙｗｉｔｈｏｕｔｌｏｓｉｎｇｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｉｎｓｉｚｅａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄｄｅｖｉｃｅｓｆｒｏｍｔｈｅｍａｒｋｅｔ，ｔｈｅｇａｐｂｅｔｗｅｅｎｓｍａｌｌｓｉｚｅ，ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｌｉｍｉｔｅｄｂａｔｔｅｒｙｌｉｆｅｈａｓｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｗｉｄｅ，ｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｉｓａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｐｐｒｏａｃｈｔｏｓｏｌｖｅｔｈａｔｐｒｏｂｌｅｍ．Ｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｗｏｐａｒｔｓ：ｏｎｅｉｓｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｏｎｅｉｓｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｅｏｆｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅｉｓｔｏｇｉｖｅａｈａｒｄｗａｒｅｓｕｐｐｏｒｔｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍ．Ｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｔｃｉｒｃｕｉｔｌｅｖｅｌｆｏｃｕｓｅｓｏｎｌｏｗｐｏｗｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｎｄｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ，ｄｅｓｉｇｎｓｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔｏｆｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｎｄｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ：ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ’Ｓｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔｃａｎｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｃｈａｎｇｅｉｔ’Ｓｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅ，ｉｔａｌｌｏｗｓｐｒｏｃｅｓｓｏｒｔｏｃｈａｎｇｅｉｔｓｉｎｐｕｔｖｏｌｔａｇｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｉｔｓｃｌｏｃｋｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｔｈｅｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ’ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｃｉｒｃｕｉｔａｌｌｏｗｓｐｒｏｃｅｓｓｏｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ’ｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ＇ｆｒｏｍｔｈｉｓｗｅｃａｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ．Ｔｈｅｇｏａｌｏｆｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｔｏｒｅａｌｉｚｅａｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄｔｈｅａｄｏ。

ｐｔｉｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｒａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｄｏｎｏｔｃｈａｎｇｅｔｈｅｓｃｈｅｄｕｌｅｐｏｌｉｃｙｏｆＬｉｎｕｘ．Ｔｈｅｍａｉｎｗｏｒｋｉｎｃｌｕｄｅｓ：ａｄｄｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｖｏｌｔａｇｅｓｃａｌｉｎｇｔｏｅｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｓｏｆｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｗｈｉｃｈＣａｌｌｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙｃｈａｎｇｅｉｔｓｓｐｅｅｄａｎｄｖｏｌｔａｇｅ；ａｄｄｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔｔｏｅｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｍｏｄｅｓｏｆｐｒｏｃｅｓｓｏｒ，ｆｒｏｍｔｈｉｓｗｅｃａｎｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒｔｏｓｌｅｅｐｏｒｗａｋｅｕｐａｔｔｈｅｒｉｇｈｔｔｉｍｅ；ｒｅａｌｉｚｉｎｇａｃｏｎｔｒｏｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓｉｎｅｍｂｅｄｄｅｄＬｉｎｕｘ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇａｃｑｕｉｒｉｎｇｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｔｈａｔｐｕｔｔｈｅｍｉｎｔｏｓｌｅｅｐｉｎｇｏｒｗａｋｉｎｇｕｐａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｅｄｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｏｌｉｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｍｂｅｄｄｅｄｓｙｓｔｅｍ，ｌｏｗｐｏｗｅｒｄｅｓｉｇｎ，ｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｄｙｎａｍｉｃｖｏｌｔａｇｅｓｃａｌｉｎｇ，ｄｙｎａｍｉｃｐｏｗｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：勇ｋ祸日期：．２·砰年５月反日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密口，在——年解密后适用本授权书。

本论文属于不保密日。

（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：录揍日期：工ｔ蝉年６月麒日指删币躲仰易日期：痧—薛，月ｆ０日＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ｇ＝２１绪论１．１课题背景嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统‘”。

随着嵌入式系统的不断发展，其概念也在不断延伸矛Ⅱ扩展，也有人将嵌入式系统定义为：基于微处理器的，用以实现一项或多项任务，并且不能像个人电脑（ＰＣ）那样被最终用户所编程的系统【２】。

嵌入式系统的最大特点是其具有目的性或针对性，即嵌入式系统是为了满足某个特定领域内的需求而开发的，因此它常常受到空间、成本、存储等条件的限制。

这也决定了嵌入式系统在实时性及功耗等方面较其它计算机系统而言，有较为苛刻的要求。

嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的类型已经超过１０００种，流行的体系结构有数十个系列。

随着人们对嵌入式产品功能和性能要求的不断提高，以８０５１、Ｚ８０为代表的８位控制器在运算速度、支持的外设种类、寻址空间及对操作系统支持等方面已经很难满足高端嵌入式系统的需求。

特别是在９０年代后期，随着网络时代的来临和无线通讯技术的发展，许多嵌入式设备需要更智能化和更强的计算能力，如：采集、处理和传输音频或视频数据；运行图形用户界面；支持无线通讯和以太网通讯协议等。

以ＡＲＭ、ＰｏｗｅｒＰＣ、Ｍｉｐｓ等为代表的３２位高性能嵌入式处理器由于其良好的可扩展性和丰富的软件支持，逐渐成为业界发展的主流，其发展势头已经赶上并超越了ＰＣ处理器。

３２位的驱动力来自以下几个方面的要求：更复杂的控制算法、网络通讯以及更成熟的人机界面【３ｊ。

与ＰＣ处理器不同的是，高性能嵌入式处理器除了将计算速度作为性能评价指标外，还将系统集成度和整体功耗考虑进去。

同时这些指标又相互促进、相互制约。

如何取得各性能的平衡，使之符合应用的需求，是嵌入式系统设计的重点１４Ｊ。

随着嵌入式系统性能的不断提高，嵌入式系统对电池的要求远远超过了电池使用寿命的进步。

摩尔定律表明：处理器的性能每１８个月就翻一番：与此同时，电池的能量密度每１０年才翻一番［Ｓｌ。

而且，系统性能遵循另一条法则——Ｓｈ啪ｏｎ定律，该定律指出：通讯系统对性能的要求每８．５个月就翻～番，这大约是处理器性能发展速度的两倍，是电池寿命发展速度的１４倍。

对移动通讯设备而言，低功耗与处理器速度和效率处于同等重要的地位，它可为这类设备提供所需要的持久性性能。

移动通讯设备高计算能力所产生的功耗与其可持续工作时间之间的矛盾已经越来越突出，低功耗设计是解决这一矛盾的必然要求。

很多学者认为，低功耗技术将是研究下一代微处理器系统所关心、研究和解决的重点目标之－－［６１。

本课题的研究是基于武汉精伦电子公司的手持式ｉＦｏｎｅ进行的。

它是集个人数字助理（ＰＤＡ）、无线通讯和多媒体功能于一体的手持设备。

ｉＦｏｎｅ采用了基于ＩｎｔｅｌＸｓｃａｌｅ体系结构的ＰＸＡ２５５处理器，提供了３２Ｍ闪存和６４Ｍ内存空间、３２０Ｘ２４０彩色液晶显示屏（ＬＣＤ），它的计算能力和存储空间可以满足音频或视频解码等高端的嵌入式应用需求。

同时ｉＦｏｎｅ提供了丰富的外围接口，包括键盘、触摸屏、通用串行总线（ＵＳＢ）接口，以及红外等。

软件方面，ｉＦｏｎｅ采用嵌入式Ｌｉｎｕｘ作为嵌入式操作系统。

与其它的嵌入式操作系统如ＷｉｎＣＥ、Ｖｘｗｏｒｋｓ、ｐＳｏＳ相比，Ｌｉｎｕｘ具有适应多种体系结构的中央处理器（ｃＰＵ）、性能稳定、可裁剪性能好、开发和使用都很容易等特点【”。

然而，手持式的ｉＦｏｎｅ在提供丰富功能的同时受到设备体积和待机时间的限制，解决ｉＦｏｎｅ高性能与有限电池寿命之间的矛盾是本课题研究工作的目标。

课题研究工作将主要围绕ｉＦｏｎｅ的硬件和软件设计，提出一套在高性能、移动式的嵌入式系统中实现低功耗设计的方案。