從應用層和后臺分析便攜式電子產品的節能技術

　便攜式電子產品的節能技術基本上可以按照其執行方式分為應用層技術及后臺技術兩大類。應用層技術由應用程序本身來執行，以打印機為例，最后一份文件完成打印之后，打印機便會改用低功率模式。后臺技術由工作系統、后臺任務或硬件來執行，因此完全或幾乎不受主要應用任務控制。外設活動監控電路便是一種后臺技術，其特點是可將顯示器背光系統或磁盤馬達的電源切斷。
　　
　　應用層技術
　　
　　看似簡單的手持式遙控器其實設計很復雜，因為它的關閉模式并非真正關閉。事實上，遙控長期處于等待狀態，以便用戶可以隨時、隨手便按。任何按鈕一經觸動，遙控器便會從低功率的睡眠模式中喚醒，然后進入完全活躍模式。較為先進的電子產品可能會在開啟及關閉之間添加多個不同的模式，例如時鐘被固定在可以接受的最低速度，而暫時未用的電路模塊則全部關閉，以便節省用電。
　　
　　調低工作占空比是一個可為許多系統解決節能問題的方案。例如，建筑物的暖風/通風/空調系統的傳感器或控制器節點真正做出響應的時間只有幾秒或幾分鐘。這些系統在大部分時間之內都處于低功率模式的睡眠狀態，喚醒之后，便立即向傳感器取樣或發出新的控制輸出，由喚醒至完成工作全部時間不超過一秒，然后便回到睡眠狀態，直至下一次為止。喚醒信號可以由硬件計時器發出，這個計時器配置成可以按照固定的周期時間觸發的系統。

　　
　　圖1：動態電壓調節硬件系統。
　　
　　工作模式也可以由外來信號控制。例如，控制門鎖的無匙門禁系統可能長期處于低功率的睡眠狀態，一旦檢測到鍵盤上的按鍵閉合便喚醒無匙門禁系統。就上述情況而言，多輸入喚醒(MIWU)支持便很有用，因為輸入/輸出端口的狀態一旦有變，多輸入喚醒功能便會喚醒處于低功率模式的中央處理器。執行MIWU功能的邏輯電路模塊負責監控端口管腳及外設接口，以便檢測狀態是否改變。MIWU功能一經設定，便可喚醒處于低功率模式的系統，然后發出CPU中斷信號。只要采用多輸入喚醒功能，系統在等待輸入信號時便無需先執行鍵盤掃描環路或其他監控軟件，因此可以大幅降低功耗。
　　
　　1．協議規定的低功率模式
　　
　　部分通信協議可以支持多種不同的低功率模式。例如，按照無線藍牙通信協議的規定，藍牙設備有三種低功率模式可供選擇：
　　
　　探測模式(sniff mode)―藍牙設備以較低的占空比偵聽局部藍牙網絡(微微網)，占空比的大小由微微網主設備和從設備互相協商而定。經過協商同意后，主設備及從設備都可各自發出指令，以便進入探測模式。已進入探測模式的主設備及從設備也可各自發出指令以脫離探測模式。
　　
　　保持模式(hold mode)―藍牙設備可以按預先設定的時間段停止偵聽微微網，停止時間的長短由主設備及從設備通過協商預先決定。經過協商同意后，主設備及從設備都可各自發出指令，以便進入保持模式。預定的停止時間一旦屆滿，保持模式便會自動終止。
　　
　　暫停模式(park mode)―藍牙設備已終止與網絡的連接，但仍與該信道保持同步。主設備決定從設備是否采用暫停模式。從設備可以提出采用或停用暫停模式的請求，但采用暫停模式與否完全由微微網主設備決定，主設備只需發出相關指令便可。
　　
　　在以上的模式之中，探測模式的占空比最高，其次是保持模式，暫停模式的占空比最低。如果藍牙設備已停止在微微網上的任何活動，可以進入低功率模式，但由微微網主設備發出控制暫停與否的控制命令。

　2．硬件支持的低功率模式
　　　　
　　嵌入式微控制器通常設有至少一個低功率模式，以支持應用層的電源管理功能。美國國家半導體CP3000系列連接處理器采用先進的電源管理技術，其中內置的兩個12MHz及32.768kHz振蕩器負責支持四個不同模式：
　　
　　活躍模式―有關應用以 12MHz的系統時鐘頻率全速運行。片上鎖相環路時鐘乘法器負責提供24MHz的中央處理器時鐘，也為USB節點控制器提供48MHz的時鐘。

圖2：自適應電壓調節硬件系統。
　　
　　節能模式―CPU及指定的外圍器件都由32.768kHz的時鐘負責為其提供時鐘信號，12MHz的振蕩器及鎖相環路可能會被關閉。
　　
　　空閑模式―CPU及指定的外設沒有時鐘為其提供時鐘信號，由32.768kHz振蕩器為其提供時鐘信號的看門狗計時器可以被編程，以脫離空閑模式。可以對MIWU模塊進行編程，當在某個端口管腳上檢測到上升或下降邊沿，觸發系統脫離空閑模式。
　　
　　停止模式―將32.768kHz的振蕩器關閉。MIWU模塊仍繼續運行，使外部信號可以觸發系統脫離停止模式。
　　
　　我們可以利用不同的方式來執行這些模式，以便達到節能的目的。雖然沒有一套現成的規律可以適用于所有系統，但表1列出了將應用電源管理模式映射到藍牙及CP3000模式的實際應用。
　　
　　3．如何處理未使用的外設
　　
　　對于大部分的微處理器設計來說，只要關閉沒有使用的外設，便可降低功耗。CP3000系列芯片分別為每一外設模塊提供使能位，該芯片可以支持非常多的外設，根本沒有哪種應用可以完全用到這些外設模塊，因此必定有部分外設模塊暫時未用。為了降低功耗，這些未用的外設模塊必須全部關閉。
　　
　　由于外設所需的時鐘頻率與系統的時鐘頻率不同，也由于外設的時鐘頻率不受所采用的電源管理模式控制，因此CP3000芯片的時鐘合成模塊負責為這些外設提供獨立的時鐘。為了盡量節省電能，應關閉這些未用外設的輔助時鐘。
　　
　　4．如何處理未使用的端口管腳
　　
　　如果任由沒有被驅動的CMOS輸入端電壓浮動至介于邏輯電平0與1之間的輸入電壓范圍，將會產生額外的功耗。如果I/O端口配置為輸入端，而且任由其自由浮動，上述情況便有可能出現，因此任何沒有外部驅動或拉高/拉低的輸入端口都應配置為輸出端。CP3000端口電路設有可編程的上拉功能，以避免未驅動的輸入端電壓自由浮動。
　　
　　CP3000的端口管腳在芯片復位后配置為輸入端，這是CP3000芯片的預設配置。采用這樣的配置是有必要的，因為外接元件可能會驅動這些端口。這些端口如果預設為輸出端，微控制器與外接元件可能會在復位后互相爭奪使用緩沖區。因此，有關應用有責任在復位后配置沒有被驅動的端口管腳。

　后臺電源管理技術
　　
　　后臺的電源管理技術之間可能會產生相互影響，因此應用程序必須對其進行處理，或者對于應用程序完全透明。即使它們對應用程序是透明的，軟件設計工程師也需要設置中斷或其他資源，以便為這些電源管理技術提供支持。這些軟件設計工程師也可能需要了解這些技術的實際運行，以免應用程序與電源管理技術之間出現意想不到的干擾。例如，不必要的顯示刷新或磁盤存取工作可能會對其中部分工作流程造成干擾，使已停止使用一段時間的顯示器背光系統或磁盤馬達無法關閉。

　　
　　圖3：自適應電壓調節功能降低了功耗。
　　
　　1．活動監控程序
　　
　　許多系統設計所采用的外設如顯示器背光系統及磁盤馬達比微控制器更耗電。對于這類設計來說，專門監控個別外設的活動監控程序可以大幅改善系統的功效。活動監控程序有自己的計時器，受監控的外設無論進行哪樣的工作，都可避免計時器超過其設定時限。如果計時器出現溢出或下溢(出現哪種情況取決于計時器的設置)，會將外設關閉或將之置于低功率模式。
　　
　　典型的活動監控程序利用實時操作系統(RTOS)提供的服務設定后臺任務，以便處理預定發生的事件，其中包括所有活動監控程序的更新。有關的后臺任務必須提前設定，以便RTOS可以按照某一固定頻率定時調用任務，一般來說每10至100毫秒(ms)之內調用一次。一旦已發出任務調用，該任務將查找任何預計發生的、需要被執行的任務，之后處于懸置狀態，直至再發出調用。
　　
　　系統也可利用旗語(Semaphores)或任務之間的消息傳遞來告知某外設接入。當系統調用后臺任務時，會先核查是否已收到信號。如果有關信號仍未收到，計數器會增加。如果計數器出現溢出，系統便會關閉外設；如果信號已收到，計數器便會進行復位。
　　
　　設備驅動程序可能會對復位信號進行聲明(assert)，這個信號用于對該設備進行存取。當系統調用對設備進行存取的驅動程序函數時，驅動程序可以對后臺任務聲明這個信號。如果驅動程序本身沒有這個功能，工程師可以先修改驅動程序的源代碼，然后加以重新編譯，以提供這個功能，但這樣將使驅動器不是標準的驅動程序。如果必須確保相關源代碼及程序可與驅動器程序庫的新版兼容，可以選擇一個具有較高可移植性的解決方案，這個方案將實現一套函數或宏，這套函數或宏發送復位信號，然后調用標準的驅動器。
　　
　　活動監控功能也可以利用硬件實現。外設進行存取時，計時器可以監控硬件的活動信號。計時器是自由運行的計數器，每當受監控信號被聲明后，計時器便會復位。如果計時器出現溢位，便會向CPU發出中斷信號，中斷服務例行程序隨后便會關閉相關的外設。
　　
　　硬件監控器的響應可能比軟件監控程序快，但對于監控外設的監控程序來說，速度通常并不重要。即使利用軟件方案關閉顯示器背光系統會出現100ms的延遲，但對電池壽命來說，所產生的影響可以說微不足道。而且，完全利用軟件進行監控的解決方案也比較容易實現，因為活動監控程序只需集中處理一項工作，而且工程師可以只理解源代碼，不必對硬件計時器的結構有任何了解。此外，軟件方案具有較高的可移植性，因為它不會局限于任何特定的硬件計時器實現。但軟件方案需要占用較多的

　2. 電壓調節
　　

　　表：將工作模式映射到協議及硬件兩種模式。
　　
　　如果芯片的工作頻率低于其最高上限，很多時候可以調低工作電壓，并且數字邏輯電路仍有足夠的時序余量。只要因應頻率的轉變調節電壓，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。動態電壓調節(DVS)功能基本上通過開放環路控制系統實現，辦法是首先設定多個不同的頻率與電壓的固定組合，每當工作頻率有變，電壓便會根據與該頻率相配的電壓值做出相應修改。另一方面，自適應電壓調節(AVS)功能則通過閉環電壓控制系統實現，方法是利用片上傳感器決定最低可予接受的供電電壓，其優點是比采用開環的動態電壓調節方式節省更多電能。
　　
　　CMOS 功耗是開關(動態)功率及漏電功率的總和：
　　
　　P=PSWITCH+PLEAKAGE"C×VDD2Af+VDD×ILEAKAGE
　　
　　上述公式中：
　　
　　C 是數字系統的開關電容，VDD是供電電壓，f是開關時鐘頻率，A是開關活動因子，ILEAKAGE是漏電電流。
　　
　　動態電壓調節技術采用列表的方法，將不同的頻率與工作所需的供電電壓配對，顯示以某一頻率工作所需的供電電壓。每一時鐘頻率所需的供電電壓會因不同產品的不同要求而異，而且有關的電壓值必定設定為最糟糕情況下所需的電壓，以便滿足不同芯片工藝技術及不同系統工作溫度的要求。圖1顯示動態電壓調節系統的結構框圖。換言之，頻率會調低，而供電電壓也會隨著調低。由于上述有關功耗的公式之中的兩個可變項f及VDD2都減小，因此系統的功耗會大幅下降。當系統任務管理器確定工作頻率需要增加，功率管理單元將首先要求改變電壓，一段時間后時鐘發生器將切換到高的工作頻率。提高電壓所需的時間可以通過不同的途徑決定，例如可以由片上計時器(VDD_OK)決定，也可根據系統的功能要求或電源管理單元的狀態標記做出決定。但有一點需要注意，對于以最高頻率工作的固定電壓系統來說，動態電壓調節功能不會為系統帶來任何功耗的節省。
　　
　　AVS技術與開環DVS技術不同，AVS技術設有反饋電路，讓片上硬件性能監控電路(HPM)可以為自適應電壓調節系統提供反饋信號。由于硬件性能監控電路設于微控制器之內，所采用的工藝技術與微控制器所用的完全相同，而且工作時處于與系統相同的溫度環境內，因此允許將電源電壓調節到器件能夠接受的實際極限。根據最接近系統真正需要的頻率調節供電電壓，而非為假設的最壞情況提供供電。
　　
　　圖2 顯示AVS實現的框圖。整個電路系統由以下4個功能模塊組成：硬件性能監控電路、先進電源控制器(APC)、PowerWise接口(PWI)及電源管理單元(PMU)。PWI接口由ARM公司及美國國家半導體合作開發，可為內置的先進電源控制器提供一個標準的雙線控制接口，以便控制外接的PMU。由這幾個功能模塊組成的自適應電壓調節系統可以為工作在任何頻率、溫度或者硅工藝的器件提供最小的電源電壓。
　　
　　APC利用來自硬件性能監控電路的輸入信號來確定是否存在任何的電源電壓優化方法。APC通過PWI將電壓調節指令傳送至PMU，而PMU便按照請求提供所需的供電電壓。HPM不斷監控工作在最新調節電壓下的芯片。如果能采用進一步的優化措施，APC會發出最新的電壓調節指令。電源必須按照APC的命令適時地調節其供電電壓，以便AVS控制系統的反饋環路能夠穩定。
　　
　　無論嵌入式計算系統以哪一頻率(包括最高頻率)工作，AVS技術都能獲得近乎最佳的工作功率。最大工作頻率下微控制器的電源電壓規范能確保系統在即使采用最差的硅工藝技術情況下，芯片也可在最高工作溫度環境下正常工作。但一般來說真正的工作溫度都比規定的最高溫度低，而芯片的工藝技術一般都比最壞的情況好。在這樣的情況下，即使以最高頻率工作，仍有足夠空間將電壓進一步調低。開環動態電壓調節技術則不具有這個特點，但AVS技術則可利用片上HPM的反饋來發現這種額外的性能，即使是在最高的工作頻率下，APC也能控制PMU將工作電壓調低。