嵌入式零功耗系统设计研究

嵌入式应用系统中，普遍存在功耗浪费现象。

1 零功耗系统设计的基本概念

1.1 系统中的理想功耗

一个电子系统要运行就会有功耗。如果系统运行时没有任何功耗浪费，那么它的功耗就是系统的理想功耗。

在一个嵌入式应用系统中，由于普遍存在CPU高速运行功能和有限任务处理要求的巨大差异，会形成系统在时间与空间上巨大的无效操作。如果在系统运行中，所有时间、空间上的无效操作都没有功耗，那么系统便处于理想功耗运行之下。

1.2 应用系统中的有效操作时空占空比

如果将系统运行中，所有时间、空间上的有效操作和无效操作采用时空占空比来量化描述，那么，有效操作占空比定义为：有效操作与系统全部运行操作之比。在一个具体应用系统中，有效操作的时空占空比有：宏观时域占空比、宏观区域占空比、微观时域占空比和微观区域占空比。以下以一个嵌入式应用系统--热流量计为例来描述这4个占空比的概念。

1.2.1 有效操作的宏观时域占空比Tdc

Tdc定义为系统运行时域上有效操作时间OPact与全部运行时间OPtot之比。由于嵌入式应用中CPU的高速运行与有限任务操作的差异，常常会形成有效操作高谐小量的时域占空比现象。例如，在热流量计中，要采集、处理的物理参数有热水的入口温度、出口温度和流量计数值。由于这些参数的大惯量特征，在满足采集精度要求下，一次采集循环周期为10 min，然而系统完成一次采集、处理、存储、送显示的时间只需2 s，如图1所示。那么，该系统的有效操作时间OPact为 2 s，全部操作循环时间OPtot为600 s，系统宏观有效操作时域占空比为

1.2.2 有效操作的宏观区域占空比Sdc

有效操作宏观区域占空比定义为：系统运行时，有效操作区域Sact与系统全部区域Stot之比。由于系统运行时，并不是所有电路单元都处于有效操作状态，特别是在单CPU系统中，所有功能单元都是在CPU的轮流控制下运行，致使系统的各部分电路轮流进入有效操作状态。例如，在热流量计中，在有效操作时域OPact中，除CPU外，采集、处理、存储、送显示的4个主体操作是轮流进行的，如图2所示。如果按等区域原则最粗略地估算，可以算出该系统宏观有效操作的区域占空比为在系统硬件设计中，如果有意识地按任务进程，对系统电路进行粗略的划分，形成相对独立任务运行空间，这样便可较准确地计算出Sdc值。