電(diàn)路设计中的電(diàn)源管理(lǐ)

2020-03-24

现代電(diàn)子设备一直在各个方面寻求更高的效率。提升设备价值的最重要标准之一是设备消耗的電(diàn)量。随着设备制造商(shāng)朝着环保绿色计算和清洁能(néng)源概念的方向发展，必须设计出节能(néng)的電(diàn)路。例如，诸如智能(néng)手机之类的独立電(diàn)池供電(diàn)设备，客户在購(gòu)买前会探索的关键因素之一就是電(diàn)池寿命。因此，在设计電(diàn)路设计时进行電(diàn)源管理(lǐ)对于有(yǒu)效利用(yòng)可(kě)用(yòng)電(diàn)源至关重要。

基于電(diàn)源的電(diàn)路设计分(fēn)类

我们几乎所有(yǒu)的日常電(diàn)气和電(diàn)子设备都是使用(yòng)電(diàn)路设计设计的。電(diàn)路设计通常包括一个微控制器（例如ARM），FPGA，微处理(lǐ)器，ASIC和数字信号处理(lǐ)器以及存储器以及输入和输出外围设备。基于電(diàn)路设计的设备在多(duō)任務(wù)处理(lǐ)方面非常有(yǒu)效，并且还可(kě)以与其他(tā)网络和设备接口。

基于功耗的类型，電(diàn)路设计分(fēn)為(wèi)两种类型。便携式和非便携式。便携式设备依靠内置電(diàn)池供電(diàn)。它们可(kě)以收费，并且可(kě)以随时随地使用(yòng)。便携式系统的一些示例是数码相机，手持GPS系统，移动電(diàn)话等。由于高度耐用(yòng)的電(diàn)荷放電(diàn)周期，锂离子電(diàn)池在最近的设备中是首先选择。非便携式设备需要持续连接到電(diàn)源。除了不可(kě)移植系统之外，便携式系统是電(diàn)源管理(lǐ)至关重要的主要关注领域。

功率优化需求

電(diàn)池尺寸和寿命

随着设备的小(xiǎo)型化和纳米技术的出现，设备可(kě)分(fēn)配给電(diàn)池的空间正在减小(xiǎo)。预计该设备将有(yǒu)效利用(yòng)可(kě)用(yòng)的功率和功能(néng)，而无需在性能(néng)上进行权衡。在设备商(shāng)业化期间，電(diàn)池的使用(yòng)寿命成為(wèi)优势。

性能(néng)和功率利用(yòng)率

電(diàn)路设计是当前技术的症结所在，因此每天都有(yǒu)更多(duō)功能(néng)添加到现有(yǒu)系统中。因此，管理(lǐ)权力变得至关重要。用(yòng)户对设备的使用(yòng)具有(yǒu)不可(kě)预测的性质，因此，这些设备旨在满足所有(yǒu)类型的工作负载。

适应绿色技术

未来電(diàn)子设备的電(diàn)源很(hěn)可(kě)能(néng)会从更环保的技术（例如太阳能(néng)）中获得。尽管太阳能(néng)具有(yǒu)生态可(kě)持续性，但其功率密度与普通電(diàn)力相同。在这种情况下，设备在任何情况下均有(yǒu)望高效工作。由于必须将热量降到底，从而进一步损失了功率。

電(diàn)源管理(lǐ)技术

電(diàn)路设计中的電(diàn)源管理(lǐ)可(kě)以使用(yòng)不同的技术在不同的阶段完成。下面给出了可(kě)用(yòng)技术的汇总。

 

软件電(diàn)源管理(lǐ)

软件電(diàn)源管理(lǐ)技术适用(yòng)于设计阶段和运行时。在开始電(diàn)路设计的物(wù)理(lǐ)设计之前，需要遵循三个步骤。它们是功率测量，功率分(fēn)析和功率管理(lǐ)。软件功耗测量是在各种抽象级别（例如電(diàn)路，逻辑门，RTL或系统级别）上作為(wèi)仿真完成的。软件仿真虽然不提供实时的实际值，但会為(wèi)设计人员提供一个估算值，基于此，设计人员可(kě)以优化其设计。

功率分(fēn)析是一种用(yòng)于评估功率并验证系统功耗的实验和估算技术。利用(yòng)诸如PowerScope，PSIM之类的软件对電(diàn)路设计中各个组件的功耗进行建模。功率测量和分(fēn)析的结果可(kě)以帮助设计人员将功率损耗的位置以及如何使其最小(xiǎo)化归零。这将导致電(diàn)源管理(lǐ)协议的实施。

运行时软件功能(néng)优化是通过选择操作系统来完成的。每个操作系统都有(yǒu)不同的计划和执行任務(wù)的方法。算法因操作系统而异。因此，设计人员可(kě)以自由选择适合其性能(néng)要求的操作系统，同时降低功耗。这种利用(yòng)操作系统进行電(diàn)源优化的方法称為(wèi)基于任務(wù)的软件電(diàn)源管理(lǐ)。

物(wù)理(lǐ)设计期间的電(diàn)源管理(lǐ)

硬件電(diàn)源管理(lǐ)分(fēn)為(wèi)静态電(diàn)源管理(lǐ)和动态電(diàn)源管理(lǐ)两种。在设计阶段完成的電(diàn)源管理(lǐ)是静态電(diàn)源管理(lǐ)（SPM）技术。它们针对硬件和软件优化。动态技术使用(yòng)运行时行為(wèi)更改来减少系统中的功耗。

静态或设计阶段電(diàn)源管理(lǐ)既包括硬件，也包括软件。硬件优化取决于體(tǐ)系结构的变化，電(diàn)源组件的放置，布線(xiàn)以及提供适当的接地。软件优化依赖于在设计时应用(yòng)的低功耗综合和编译。

运行时電(diàn)源管理(lǐ)

运行时電(diàn)源管理(lǐ)对于提高系统效率至关重要。运行时技术称為(wèi)动态電(diàn)源管理(lǐ)技术。最重要的技术是动态電(diàn)压和频率缩放，低功率状态，功率策略。

动态電(diàn)压和频率缩放

已经针对可(kě)变電(diàn)压和频率处理(lǐ)器开发了动态電(diàn)压和频率缩放技术，其中处理(lǐ)器的频率和電(diàn)压根据处理(lǐ)器的工作量而动态变化。在空闲时间期间，动态降低提供给系统各个组件的電(diàn)压，以减少整个系统的功耗。即使電(diàn)压发生变化，也应格外注意时钟设计以保持计算时间。

低功耗状态

两个主要的低功耗状态是挂起/恢复和CPU空闲（休眠）。暂停和恢复状态使CPU处于保持状态，并停止所有(yǒu)正在进行的进程。此状态类似于系统中断，但其區(qū)别是未使用(yòng)CPU或将其保持在新(xīn)的已知位置。

系统处于空闲或休眠状态时，CPU将无任何运行。仅高速缓存有(yǒu)效，CPU执行节電(diàn)暂停指令，进入NAP模式，该模式消耗的功率小(xiǎo)于10mW。CPU也禁用(yòng)计时器。因此，系统空闲比挂起恢复更节能(néng)。

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