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1、便携式电子系统的低功耗设计 解放军信息工程大学徐太忠邵高平 摘要针对便携式电子系统功耗要求低的特点,采用一系列硬件措施与软件设计相结合的办法,设计便携式电子系统,从而达到降低系统功耗的目的。 关键词便携式低功耗电源管理 当今节能是全球化的热潮,如计算机里的许多芯片过去用5V供电,现在用3.3V、1.8V,并提出了绿色电器的概念。便携式系统设计的最主要目标也是在提高产品性能的同时尽可能地降低系统功耗。但是在大多数应用传统互连技术的嵌入式设计中,性能的提高是以功率的消耗为代价的。因此在设计便携式电子系统的时候,必须以系统集成的策略来解决降低功耗与提高性能的问题。本文介绍通过采取一系列实用的硬件措施
2、和软件设计相结合的办法来解决系统设计的低功耗问题。 一、 便携式电子系统的构成 便携式电子系统通常包括LCD显示器和触摸屏、键盘、嵌入式处理器、DRAM和非易失性存储器（如ROM或Flash）、电源或电池电路、PC卡接口、IrDA（红外接口）、串行接口和MODEM等。其典型的结构框图如图1所示。 图1便携式电子系统的硬件构成在设计中,嵌入式处理器采用Cirrus Logic公司EP7211。该器件是专门为低成本、超低功耗的应用设计的。EP7211包含有一个内核为ARM720T 32bit RISC处理器和丰富的外围接口,并且包含有一个适应于Y2K问题的实时时钟RTC和比较器。 ARM720T内
3、部集成一个可支持Microsoft Windows CE的增强型内存管理单元。EP7211的外围接口有CODEC接口、SPI串行A/D接口、单色LCD接口,并可扩展以支持彩色LCD、DRAM接口、ROM/Flash/SRAM接口、红外接口、2个PWM脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulator）接口、时钟以及电源检测接口。红外（IrD）接口用来完成便携式电子系统之间的无线数据交换;去掉了数据交换需要电缆连接的麻烦;串行接口为下载程序和数据及软件升级而设计。LCD和触摸屏提供显示和输入的人机界面;语音录放电路为简短信息提供语音的录入和播放;Flash RAM存储程序和数据;SRAM
4、为程序运行提供缓存;电源电路将电池或外加电源变换为嵌入式处理器和外围电路所需要的3.3V、2.5V电压。 EP7211的内核电路工作在2.5V,而外围电路工作在3.3V。它可根据具体情况对内核的时钟进行动态编程控制,可工作在18MHz、36MHz、49MHz和74MHz。另外,EP7211还有三种基本供电模式：正常操作（Operating）、空闲（Idle）和等待（standby）。正常操作模式下,EP7211的所有时钟和外围都正常加电;空闲模式就是关闭CPU工作,其它部分与正常操作模式一样;等待模式是主时钟被关断,整个CPU及相关外围（除中断和RTC）关断,但可通过中断或按钮来唤醒。所以它非
5、常适合便携式电子系统的应用。 二、 硬件措施 硬件电路是系统的基础,因此在低功耗设计中,必须首先保证在硬件方面尽可能降低系统功耗。通常在电路设计制作中有以下几种方法来降低系统功耗。 1 选用低电压、低功耗器件 降低系统功耗最直接的办法是降低芯片的工作电压,因为开关功率是与工作电压的平方成正比的。设计中选用低电压、低功耗器件可以很容易地降低工作电压,因此,在我们所研制的便携式电子系统中,选用的都是3.3V或更低电压供电的器件,在硬件上保证了低功耗。像Flash RAM和SRAM,不仅所要求的供电电压低,而且在芯片不被片选时能自动处于Standby（等待）状态,当被片选时重新唤醒,从而又进一步降低
6、功耗。但是在常规的电路板中,低I/O电压波动降低了系统的抗干扰能力。因此,在解决低功耗问题时不能单纯依靠低功耗器件的选用,还必须与其他一些方法相结合来设计系统。如下面将要谈到的减小总线电容,降低开关噪声等方法。 2 减少总线电容 当系统的硬件结构和软件平台的设计方案确定之后,只能通过减小印制电路板与集成芯片之间的电容来降低系统的功耗。总线电容是I/O驱动电路和相关联的器件引脚之间的电容、印制电路板上的布线与过孔之间的电容、负载上的引脚与I/O接收器电路之间的电容的总和。在一般的系统中,这个容量总和很容易就能达到1530pF。 减小总线电容可以很容易地降低系统功耗,因此相应地出现了新的底板工艺以
7、减少寄生在布线与过孔之间的电容。如在常规的多层电路板中加上高密度的互联层;用陶瓷底板的多芯片模块;优化I/O驱动器到接收器的布线结构以减小电容的系统封装（system in a package）技术。应用这些技术使系统的互连密度提高了,这样在较小的电路板区域就可以容纳更多的信号。信号的布线距离缩短了,互连电容和系统功耗也就随之相应地减小了。 3 降低开关噪声 用作高性能计算的处理器需要一个牢固的旁路电容以满足高回旋率开关的需要。这是因为内部和外部总线开关都会产生较大的瞬时电流的需求量。因此,在电路板布线的时候要在离主要芯片的电源尽可能近的地方放置一个旁路电容,以消除可能导致系统性能降低或功能芯
8、片失灵的电压波动。另外,在电路板上覆铜层也可以分散在集成电路冲模上的功率。在超大规模集成电路冲模中,功率分散是一个严格的设计约束条件。因此,通过放置旁路电容和覆铜层可以有效地降低开关噪声,减小系统的功耗。 4 采用系统封装解决方案 因为普通电路板不能提供互连集成电路所需的高布线密度的需求,所以基于模块技术的系统级集成技术越来越流行。一个非常典型的例子就是将多个集成电路和相关联的离散器件联结在一个封装内的封装系统（sip）技术。sip技术之所以流行主要有以下4个原因： 可以减小总线电容; 通过在芯片内部集成旁路电容,可以减小开关噪声; 可以将芯片I/O增大到最大带宽; 能够优化集成电路以获得低功
9、率和高收益。 此外,将倒装焊压片技术与高密度、低电容、硅铜底板技术相结合,可以使功耗降低5%10%,降低的比率能够达到多少,主要取决于系统的配置与工作的条件。 通过以上硬件措施,可以较为有效地降低系统的功耗,同时也减小了产品的尺寸、重量,对于便携式电子系统向更小型化的方向发展也有一定的作用。 三、 软件设计 通过电源管理设计可以进一步降低系统的功耗。电源管理采用如下措施。 （1） 根据实际所处理的数据量的大小和实时性的快慢来选择CPU的主时钟频率：若所处理的数据量大或要求实时性快,就增强CPU的处理能力,提高CPU的主时钟;反之,可降低时钟频率,以减小功耗。 （2） 当系统运行要实现某个功能时
10、,并不一定要用到所有的电路,而对于那些不用的电路应断开其供电,等其需要时可重新加电。这样保证电池的供电用到该用的地方,提高电池的使用效率。 （3） 设置闲置等待时间。一旦CPU闲置了定时器所设置的时间,CPU自动地进入等待模式并关断未使用器件的电源;若有外部事件触发,系统会自动进入正常操作模式。 （4） 处理器提供电池状态检测和外加电源检测的功能。一旦电池电压低于正常工作要求,强迫处理器处于等待状态;若采用外加电源,则可以不进行电源管理。 通过以上措施,实现处理器状态的改变。状态转换如图2所示。 图2电源管理状态转换通过电源管理,便携式电子系统的功耗满足设计要求。正常工作时电流约30mA,处于
11、等待状态时电流约几mA。结束语 通过采用低电压、低功耗的器件,减少总线电容,降低开关噪声等硬件措施,在一定程度上降低了系统的功耗;但这只是完成了硬件上所能做到的程度,还必须与软件设计、电源管理相结合才能更为有效地降低系统的功耗,从而提高便携式电子系统的性能。MES 参考文献 1Gary Ruah.System integration is key to reducing power in handhelds.Portable Design,2000(8) 2夏魏.便携式计算机中电源管理芯片的设计.微计算机信息,1999(1) 3CIRRUS LOGIC, INC. EP7211 High Pe
12、rformance Ultra Low Power System on Chip with LCD Controller,1999(9)便携式电子系统的低功耗设计作者： 解放军信息工程大学 徐太忠 邵高平摘要 针对便携式电子系统功耗要求低的特点，采用一系列硬件措施与软件设计相结合的办法，设计便携式电子系统，从而达到降低系统功耗的目的。关键词 便携式 低功耗 电源管理当今节能是全球化的热潮，如计算机里的许多芯片过去用5V供电，现在用3.3V、1.8V，并提出了绿色电器的概念。便携式系统设计的最主要目标也是在提高产品性能的同时尽可能地降低系统功耗。但是在大多数应用传统互连技术的嵌入式设计中，性能的
13、提高是以功率的消耗为代价的。因此在设计便携式电子系统的时候，必须以系统集成的策略来解决降低功耗与提高性能的问题。本文介绍通过采取一系列实用的硬件措施和软件设计相结合的办法来解决系统设计的低功耗问题。一、 便携式电子系统的构成便携式电子系统通常包括LCD显示器和触摸屏、键盘、嵌入式处理器、DRAM和非易失性存储器（如ROM或Flash）、电源或电池电路、PC卡接口、IrDA（红外接口）、串行接口和MODEM等。其典型的结构框图如图1所示。图1 便携式电子系统的硬件构成在设计中，嵌入式处理器采用Cirrus Logic公司EP7211。该器件是专门为低成本、超低功耗的应用设计的。EP7211包含有
14、一个内核为ARM720T 32bit RISC处理器和丰富的外围接口，并且包含有一个适应于Y2K问题的实时时钟RTC和比较器。 ARM720T内部集成一个可支持Microsoft Windows CE的增强型内存管理单元。EP7211的外围接口有CODEC接口、SPI串行A/D接口、单色LCD接口，并可扩展以支持彩色LCD、DRAM接口、ROM/Flash/SRAM接口、红外接口、2个PWM脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulator）接口、时钟以及电源检测接口。红外（IrD）接口用来完成便携式电子系统之间的无线数据交换；去掉了数据交换需要电缆连接的麻烦；串行接口为下载程序和数据
15、及软件升级而设计。LCD和触摸屏提供显示和输入的人机界面；语音录放电路为简短信息提供语音的录入和播放；Flash RAM存储程序和数据；SRAM为程序运行提供缓存；电源电路将电池或外加电源变换为嵌入式处理器和外围电路所需要的3.3V、2.5V电压。EP7211的内核电路工作在2.5V，而外围电路工作在3.3V。它可根据具体情况对内核的时钟进行动态编程控制，可工作在18MHz、36MHz、49MHz和74MHz。另外，EP7211还有三种基本供电模式：正常操作（Operating）、空闲（Idle）和等待（standby）。正常操作模式下，EP7211的所有时钟和外围都正常加电；空闲模式就是关闭
16、CPU工作，其它部分与正常操作模式一样；等待模式是主时钟被关断，整个CPU及相关外围（除中断和RTC）关断，但可通过中断或按钮来唤醒。所以它非常适合便携式电子系统的应用。二、 硬件措施硬件电路是系统的基础，因此在低功耗设计中，必须首先保证在硬件方面尽可能降低系统功耗。通常在电路设计制作中有以下几种方法来降低系统功耗。1 选用低电压、低功耗器件降低系统功耗最直接的办法是降低芯片的工作电压，因为开关功率是与工作电压的平方成正比的。设计中选用低电压、低功耗器件可以很容易地降低工作电压，因此，在我们所研制的便携式电子系统中，选用的都是3.3V或更低电压供电的器件，在硬件上保证了低功耗。像Flash RAM和SRAM，不仅所要求的供电电压低，而且在芯片不被片选时能自动处于Standby（等待）状态，当被片选时重新唤醒，从而又进一步降低功耗。但是在常规的电路板中，低I/O电压波动降低了系
