嵌入式系统低功耗技术的研究和应用

摘要
嵌入式系统设计的研究重点早期主要集中在性能、实时性和可靠性等方面，近年来随着嵌入式技术的快速发展，嵌入式系统的主频和集成度越来越高，嵌入式设备特别是移动嵌入式设备（手机、MP3、PDA等）的大量应用，为嵌入式系统的设计者提出了一个新的问题，如何通过有效的降低嵌入式系统功耗来延长电池使用时间，增长设备寿命。目前，嵌入式低功耗优化方法已经作为一个研究热点吸引了越来越多的学者和研究者的注意，在某些特定场合，功耗问题甚至已经超过性能或可靠性等其它条件成为设计嵌入式系统的首要考虑因素。嵌入式系统由嵌入式系统硬件和嵌入式系统软件两部分组成，嵌入式系统功耗优化技术可以在硬件层次和软件层次两个方面展开，因为嵌入式系统功耗是由底层硬件直接产生，早期的嵌入式低功耗技术研究主要集中在硬件层次，包括制作材料的更新和制造工艺的改进以及电路级和微结构级的优化技术等。但在实际情况中，底层硬件受上层软件驱动，例如不同指令执行和数据存取等软件指令直接影响底层硬件的电路活动，导致不同功耗产生。现代研究已经证明，嵌入式软件是影响嵌入式系统功耗的重要组成部分。对嵌入式软件和硬件进行协同优化能最大程度降低嵌入式系统功耗。本文首先分析了嵌入式系统功耗产生的原因，并详细介绍了硬件层次和软件层次存在的功耗优化方法和技术，然后详细分析从软件层次降低嵌入式系统功耗的技术和方法，利用功耗模拟器EMSIM建立起C语言的部分指令级功耗模型。最后利用源程序级和算法级软件功耗优化技术对常用嵌入式实时系统µC/OS-II的部分源码进行功耗优化，将优化前后的µC/OS-II系统源码在Redhat9.0 Linux上安装的功耗模拟工具EMSIM平台上进行仿真，通过对比功耗优化前后的指令执行时间和能量消耗情况，来分析源程序级的功耗优化方法对嵌入式系统性能和功耗的影响。通过最终的实验数据我们可以得知，同硬件层次的功耗优化技术一样，从软件层次对嵌入式系统进行功耗优化能够实现在不显著影响嵌入式系统性能的情况下大幅降低嵌入式系统能量消耗。
关键词：嵌入式系统；低功耗技术；硬件功耗；软件功耗；功耗模型
目录
1 绪论 .................................................. 1
1.1 嵌入式系统简介 ............................................. 1
1.2 课题背景 ................................................... 2
1.3 研究目的和意义 ............................................. 4
1.4 所做的主要工作及论文内容安排 ............................... 5
2 硬件层次的嵌入式低功耗技术 ............................ 7
2.1 工艺和器件级 ............................................... 8
2.2 电路级 .................................................... 10
2.2.1 动态功耗 .................................................... 11
2.2.2 短路功耗 .................................................... 12
2.2.3 静态功耗 .................................................... 12
2.3 RTL级 .................................................... 13
2.4 微结构级 .................................................. 14
2.4.1 并行处理 .................................................... 14
2.4.2 流水线技术 .................................................. 16
2.5 总线的低功耗技术 .......................................... 16
2.6 硬件层次功耗优化技术的应用 ................................ 18
2.7 本章小节 .................................................. 19
3 软件层次的嵌入式低功耗技术 ........................... 20
3.1 软件层次降低功耗的可能性 .................................. 20
3.1.1 微结构级功耗模型............................................. 20
3.1.2 电路级模型 .................................................. 22
3.2 嵌入式操作系统 ............................................ 23
3.2.1 处理器调度算法 .............................................. 23
3.2.2 低功耗的嵌入式设备驱动程序 ................................... 25
3.2.3 功耗管理策略 ................................................ 25
3.2.4 Linux的功耗管理策略 ......................................... 26
3.3 用户应用程序设计 .......................................... 28
3.4 本章小节 .................................................. 30
4 实验与仿真 ........................................... 31
4.1 实验环境的配置 ............................................ 31
4.1.1 EMSIM简介 .................................................... 31
4.1.2 EMSIM的安装 .................................................. 32
4.2 µC/OS-II系统 ............................................. 36
4.3 嵌入式低功耗技术软件优化方法 .............................. 37
4.4 C语言的功耗模型的建立 .................................... 39
4.5 µC/OS-II系统的低功耗优化 ................................. 41
4.6  实验结果与分析 ........................................... 42
4.6.1 实验结果 .................................................... 42
4.6.2 结果分析 .................................................... 44
5 总结与展望 ........................................... 45
5.1 文章总结 .................................................. 45
5.1 下一步工作 ................................................ 45
参考文献 ................................................ 47
致谢 .................................................... 49