淺談電路中的低功耗設計

王 萌

（陜西能源職業技術學院，陜西 咸陽712000）

1 硬件的低功耗設計

（1）硬件電路器件?，F在很多的電路多采用集成電路CMOS 工藝，相較于TTL 工藝技術，不僅能夠將電子元器件的消耗減少還能夠減少整個系統的消耗。由此可見，現在的工藝技術中應該廣泛的使用CMOS 集成電路工藝技術。

在CMOS 技術的設計方面所需要消耗的功耗是非常小的，但處于動態時的時候，電路消耗的功耗很大。

動態功耗公式為：

式中，動態的功耗主要是采用P 來表示，器件負載電容主要是采用C 來表示，電壓采用V 表示，頻率采用f 來表示。

采用COMS 集成工藝技術的硬件電路的功耗，主要與電路工作時的電壓和頻率有聯系。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信號，同時造成電平的高低轉換。

（2）低功耗外圍器件的選用。低功耗設計首先就是對電子元件進行必要的篩選，具備相同性能的電路，電路的形式是多樣的。比如說，在系統立面不管是嵌入式內部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。

其次元器件的規模和集成形式。要使設計的系統功耗低，最直接的方式就是保證質量和成本的前提下多采用集成度高的元器件和芯片，從而減少設備的功耗。

（3）微處理器的選擇。在整個系統之中，以嵌入式設計為基礎的功耗之中占據最大比例的就是CPU。

微處理器的功耗主要分為兩部分：

總功耗=內核功耗+外部接口控制器功耗

當處理器處于工作狀態下的電壓是影響功耗的關鍵因素；其次就是地址總線寬度以及數據總線寬度等。總線的寬度決定了處理處理能力的強弱，同時會影響功耗的高低。要使降低功耗，就需要使總線位數變窄。

根據上面說敘述的內容，要降低微處理器的內核功耗，就是想法降低處理器的工作電壓、時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。在設計系統時，如果處理器的運行電壓相近和系統功能相同的情況下，則可以通過降低處理器的時鐘頻率的方法來實現。關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、空閑和關機。

當處理器處于高速運行狀態的時候所消耗的功率要遠遠地大于其他狀態所產生的消耗。我們可以采用相關的程序，當需要處理器進行處理的時候，將其進行喚醒，達到正常工作的狀態；當處理器將所需要處理的程序完畢之后，再次進入到空閑的狀態。

系統低功耗設計時，遵循以下幾點：首先處理能力相同的情況下，可通過降低處理器的時鐘頻率；然后就是將處理器的功效降低，最后的步驟是將外設控制器斷開。

（4）多CPU 系統。若一個處理器承擔著多項工作時，那么必然需要很高的運算速度。這種情況下，還要實現低功耗就十分不易了，因而多處理器系統，成為發展的必然趨勢之一。

這種方式具是參照需要工作的不同，來處理不同的工作任務，從而最大程度發揮出各自的優點，能夠將系統的性能發揮到最大的程度。用單處理器來完成所有的功能，則需要很高的處理速度，造成很高的功耗，消耗很多能量[2]。多處理器系統會根據工作的不同，啟動或停止相對應的處理器工作，從而很大程度上控制功耗。

（5）分區/分時供電技術。當系統正處于運行狀態的時候，工作狀態是實時性變化的，在系統之中所有的部分都不會長期的處于工作的狀態，這時所需要使用的技術就是分區/分時技術，借助這種方式能夠將系統的功耗減少到最小。

2 軟件的低功耗設計

過去的低功耗研究，主要如何對硬件進行設計、升級改造來實現低功耗。截止到目前為止，相關的研究人員主要是想提升軟件的升級以及優化來達到減少功耗的目的。在嵌入式應用系統里，軟件的作用也來越重要，軟件不僅要進行相應的運算處理，還要引導硬件運行。

（1）優化編譯器。軟件優化過程中首先解決的就是選取適合的編譯方法。從功能的角度上來看，編譯器主要是將高級語言程序，翻譯成為可以執行的程序。與此同時，軟件的可讀性和軟件的可維護性得到保證，同時提高軟件開發的效率。此外，將編寫的軟件程序下載到新的系統或設備上，只要把相應的編譯器對軟件進行重新編譯就可以了，不必重新設計軟件。這樣做當然在一些特定情況下，會影響軟件執行的性能[2]。

從實踐的角度上來看，程序設計的邏輯不同，編寫的指令的多少就不同，處理器執行時間不同功耗也不同。設計更合理的邏輯、編程更簡潔的程序成為軟件低功耗設計的核心。當編譯器進行優化以后，此時能夠將生成代碼的效率提升，并且能夠使設備的消耗降低。

（2）采用軟件代替硬件電路。針對于普通電路，如果能夠通過軟件實現相應功能，就不要選擇硬件，顯然同樣的運算過程，軟件的功耗要遠遠低于純硬件電路。當然這也都不是絕對的，因為有些硬件電路無法通過軟件來實現，同時所要處理的大量數據信息，對處理器提出更高的性能和功耗要求，同時也要考慮成本問題。

（3）中斷驅動技術設計。在系統設計時，編寫的程序選擇中斷方式還是選擇查詢方式，對于一些簡單應用并無區別，但是兩者的功耗表現卻相差很大。

在關于嵌入式系統程序的設計方面，其主要是由主程序以及其他的子程序組合而成，當外設出現了中斷信號，從而導致處理器進入到了工作狀態，當所有的工作處理結束之后，處理器就再次進入休眠的狀態。這樣沒有中斷信號時相應的硬件電路均處在最低的功耗下。查詢方式，會使處理器不斷進行查詢，導致處理器一直處于工作狀態，不僅效率低，功耗也大。

（4）定時器延時程序的采用。如果軟件方面需要設計延時程序的時候，應通過定時器延時的方式來解決。通過這樣的方式是因為嵌入式處理器如果是待機模式，處理器會停止工作，但是定時器卻不停止工作。當定時工作結束以后，此時處理器就會再次回到工作的狀態。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，同時還能夠將工作效率得到最大的提升。

（5）算法優化。算法優化是指對算法的復雜度、正確性等性能進行優化。

遇到的任何工程上問題時，都可以建立成一種最優化模型進行求解，例如神經網絡、AI 等，它們的本質任然是建立優化模型，通過最優化方法對目標函數（或損失函數）進行優化，從而訓練出最好的模型。

當對嵌入式DSP 實行算法優化操作的時候，此時能夠借助很多的計算方式，這樣可以將時間成本節約下來，還能夠將功耗減少到最小。

3 結 語

文章簡述了電路低功耗設計時，需要考慮的硬件的低功耗設計和軟件的低功耗設計。硬件低功耗設計時，從元器件選型，到分時/分區供電來實現降低功耗的目的。軟件低功耗設計則從優化編譯器，優化算法，中斷驅動等方面，簡述軟件低功耗設計時所要注意的問題?？傊?，通過上述的經驗和方法能夠有效的降低電路的功耗。