嵌入式系统中的节能实现方法

嵌入式微处理器 · 公众号 · · 2024-12-04 12:07

正文

动态功耗与时钟速度成正比，是计算机系统功耗的重要组成部分。减少CPU负载是减少功耗的一种方法，另一种方法是在空闲模式下降低CPU时钟速度。

动态 CPU 功耗

在大多数计算系统中，CPU是主要的能源消耗者。CPU消耗的动态功率取决于时钟频率和空闲模式的时间。现代CPU有一条或多条指令可以在空闲时使用，在ARM架构处理器中，指令为WFI（等待中断）或WFE（等待事件）。它们将时钟门控到CPU的一个部分，消除了CPU空闲时的动态功耗。

典型的代码实现：

OS_Idle(void) {  for (;;) {        __wfi();      }}

编写高效的程序

减少CPU执行代码的时间以最大化空闲时间是有意义的，可以通过高效的编程（智能算法）、好的编译器和高效的运行时库来实现。

嵌入式系统实现的另一个要点是不等待硬件（如下例所示）：

// Wait until data is readywhile (NAND_FLASH_BUSY);

让就绪信号触发中断，或者在循环中执行定期检查或延迟（如OS_TASK_Delay_us(30)）。SEGGER的embOS-Ultra允许以微秒为单位设置延迟，非常适合硬件通常所需的短时间延迟。

在大多数情况下，中断是最好的方法，但它需要能够产生相应中断的硬件，不通用，并且需要程序员做更多的工作。

空闲时的动态 CPU 消耗

在空闲模式下仍然有CPU动态功耗！这是因为某些组件（如中断控制器）一直有时钟。因此，即使CPU处于空闲模式，其动态功耗仍然与时钟速度成正比，这意味着在空闲模式下降低时钟速度是一种节能的方法。

空闲模式下的功耗低于执行程序时的功耗，但仍然相当高。我们发现，在J-Link和Flasher中使用的Xilinx Zynq芯片中，空闲时功耗约为执行程序时的50%。在主频600MHz时，CPU使用了大约45mW的动态功耗，将速度降低到200 MHz，测量大约节省30 mW。这意味着如果我们相应地修改OS_Idle()，我们可以节省大约30mW！

OS_Idle(void) {  for (;;) {                      //  Implemented in a hardware layer, usually only a single write to an sfr to change the clock dividerHW_CPU_SetIdleSpeed();        __wfi();                    }}

在一个设计良好的系统中，CPU的大部分时间都处于空闲状态。缺点是每个中断发生后，都需要将CPU切换回更高的速度（或者至少是那些必须快速响应的CPU）。CPU对中断的反应会稍微慢一些，但是如果以原始速度的1/16运行CPU，应该不会对响应时间产生太大影响。或者只减到1/2，仍然可以节省50%的动态空闲消耗。