无线与有线系统设计人员都应关心电源效率，只不过个中原由并不相同。对行动装置而言，更长的电池寿命以及更长的通话或使用时间显然都是优势，但降低电力需求还能让产品使用较小的电池或不同的电池技术，散热问题也变得更简单。

对有线系统来说，设计人员可以缩小电源供应体积、降低散热要求和减少风扇噪音。另一较少为人提及的优点则是在提高电源效率后，系统就能留下更多空间给其它增强效能的零件，这在设计人员使用多颗处理器时特别有用。

无论已含DSP的嵌入式系统，或想在系统功率预算允许下增加DSP的嵌入式系统，都能利用DSP独有的技术、相关操作系统与支持软件节省电力。因为如此，DSP或双处理器设计可以提供传统技术无法做到的更强大省电功能。

本文将同时介绍传统技术和DSP特有的技术，但首先要定义文中用到的名词和原理。

功耗基本知识

CMOS电路的总功耗等于动态（active）与静态（static）功耗之和。

《公式一》

逻辑闸切换逻辑状态就会产生动态功耗，它主要来自开关电流（内部组件充电所需）和穿越电流（P和N信道晶体管同时导通所造成）。动态功耗可估计如下：

《公式二》

另一个关系式则指出，电路稳定操作的最大开关频率（F）是由电压（Vcc）决定。这些关系式隐含两个重要概念：

本文为讨论方便，将把一对特定的频率和电压称为「设定点」（setpoint）。

降低处理器频率频率，它的动态功耗也会等比例减少，但若在不影响效能的情形下降低电压，则从前述的平方关系可知它会节省更多电力。但对特定作业而言，降低处理器频率频率同样会等比例延长其运行时间，因此设计人员必须谨慎分析，确保它在频率频率降低后仍可达到实时要求。

静态功耗是晶体管漏电造成，而CMOS电路的静态功耗过去都远小于动态功耗。嵌入式应用为避免动态功耗，通常会在闲置时关闭处理器频率，这能大幅减少总功耗。未来的设计则必须更注意静态功耗，因为新型晶体管虽然效能更强，漏电流却也会大幅增加。

嵌入式系统通用技术

常见的功耗管理技术分为两类，一种属于硬件设计初期所做的选择，另一种则是系统运行期间执行的技术。

设计初期所做的决定对达成效能和功耗目标当然很重要。下文就是包括硬件选择、设计方法和架构选项在内的10大重要决定，其中大多数是嵌入式设计的基本知识，其它则比较复杂。虽然这些都是设计初期要做的决定，仍有些内容须在设计过程重新确认。这10项决定包括：

系统架构确定后，设计团队应把注意力转到系统执行期间环境。虽然这部份只有14个重点，其中多数却必须在设计过程随时注意：

这些项目适用于所有的嵌入式系统，包括内建DSP的产品，而且多数有经验的设计人员至少在观念上应很熟悉它们。

这些动作与方法看似简单，实现却不容易。任何降低设计功耗的做法都可能影响系统效能和稳定性。而使用基本电源管理技术时也可能遇到一些困难。

DSP实时操作系统有那些帮助

多数有经验的嵌入式设计人员都知道许多技术皆能由操作系统提供，不需他们针对每个新设计重新再做一遍。

实时操作系统（RTOS）甚至可包含一些最有价值和众所认可的技术，例如让电路进入闲置状态（idling）、避免动态功耗、设备驱动器通知、内存管理以及电压/频率调整。然而这些技术的设计目标差异太大，要把它们全部加入实时操作系统并不容易，必须由开发人员做出适当取舍。就应用耗电优化而言，主要设计目标应该是效率、弹性以及与操作系统的松散结合（loose coupling）。

要了解现有实时操作系统的电源管理模块有那些特性、限制和功能，一个好例子就是TI为DSP/BIOS操作系统提供的电源管理程序（Power Manager；PWRM）。虽然以下介绍的设计主要是针对DSP/BIOS，其观念却很容易运用到其它操作系统或不含操作系统的应用环境。

电源管理程序要求

设计电源管理程序时，最主要的七个要求为：

为达到前述的要求，如(图一)所示把Power Manager当成附属模块加入DSP/BIOS。

《图一　Power Manager的功能分割》

Power Manager位于DSP/BIOS核心之外。它不是操作系统执行的一个工作，而是在应用控制绪（control thread）和设备驱动器环境里执行的一组应用程序界面（API）。

这表示核心不需要任何修改。但是在处理器频率与操作系统定时器频率耦合在一起的其它平台上，设计人员就必须为DSP/BIOS频率模块（CLK）提供辅助例程。这对频率调整很重要，因为这些例程可将操作系统频率当成Power Manager的用户程序进行调整。

Power Manager界面透过特定平台专用的电源调整链接库（Power Scaling Library）直接控制DSP硬件，并且读写频率闲置组态缓存器（clock idle configuration register），该链接库可以控制处理器时钟速率和稳压电路。透过电源调整链接库，Power Manager和其它应用软件就不需要知道频率及电压控制硬件的实作细节。

Power Manager是由设计工程师静态分配其组态，并由应用软件在执行期间动态呼叫。它有几项功能与应用有关：

将频率域设为闲置状态

Power Manager提供界面将特定频率域设为闲置状态，以便减少动态功耗。它还提供一套机制，可在操作系统空闲环路（idle loop）的适当位置让DSP内部的处理器和高速缓存自动进入闲置状态。

开机省电功能

Power Manager包含一套程序链接机制，让开发人员指定一个在开机时自动呼叫的省电函式。

电压与频率调整

Power Manager提供界面让应用动态调整DSP核心的操作电压和频率，应用软件可以根据实际处理需求，利用这项功能调整功耗。Power Manager应用程序界面让应用指定是否同时调整电压和频率，以及调降电压过程中是否继续执行程序（调整所需时间与负载有关，而且可能很长；若处理器在调降电压过程中仍很稳定，就可以让应用继续执行）。Power Manager还有应用程序界面可以查询电压/频率设定点以及调整所需时间。

休眠模式

Power Manager提供与休眠有关的组态与执行期间界面，开发人员可利用它们启动客制休眠模式，减少无动作期间（inactivity）的功耗。

电源事件的注册与通知

为了协调应用执行期间的电压/频率调整动作、休眠模式和其它事件，Power Manager提供一套注册和通知机制，让应用程序代码、外围驱动程序、封装内容（packaged content）以及操作系统频率模块等软件组件，把会影响它们的事件向Power Manager注册，以便在发生这些事件时通知它们。这些电源事件包括：即将调整电压/频率设定点、电压/频率设定点调整完成、进入休眠模式、离开休眠模式和电源故障。通知程序是Power Manager的一项重要功能。当软件组件不需要通知时，也可向Power Manager取消注册。

实际设计

电源效率分析的准备工作至此算大功告成，接着就是拟定一套方法，利用操作系统提供的技术和支持发展省电应用。本文建议的方法共有11个步骤，设计人员只要发现尚未达成功耗目标，或者需要额外的执行期间技术来满足应用功耗预算，就应该重新执行这些步骤。

在前述11个步骤里，步骤(1)的意思很清楚，不需再做解释。步骤(2)和(4)基本上就是利用这套评估模块来完成，它们证明一套广泛供应的平台确实有其价值。步骤(3)（实验）是在评估模块上执行，它会测量不同技术的省电能力，例如存取芯片内部和外部电路时的核心与系统功耗、DMA与CPU的传输比较、以及让特定外围装置和频率域进入闲置状态的省电效果等。

与功耗有关的重要设计决定包括：

网状网络（mesh network）如果建置正确，应能大幅增加今日IEEE 802.11网络的涵盖面和容错能力。然而，无线网状网络标准，例如IEEE802.11s和IEEE 802.16f，数年后才会出现。在此同时，虽然有数种专属性方案可供采纳，不过这些方案设定过于复杂而且可能没有解决QoS问题。于是，在目前网状网络技术仍为专属性情况下，除了在校园或企业内部等封死循环境以外的领域，成长将极为有限。

(7)从关闭DSP到重新启动的这段时间，应使用电源管理程序的深度休眠（deep sleep）界面让DSP进入深度休眠模式。

要将省电能力强大的技术整合到实时操作系统，最好方法就是让开发人员选择最符合应用需求的技术。只要操作系统具备这些省电支持功能，开发人员就能轻松、安全和以最小负担的方式提高应用电源效率。

---作者任职于TI德州仪器---