嵌入式系统中的低功耗设计
2008-12-31 18:19:55 作者：电子之都来源：电子之都浏览次数：59 网友评论 0 条
经过近几年的快速发展，嵌入式系统（Embedded system）已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分支。随着手机、PDA、GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用，嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增（IDC预测），嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。
在嵌入式系统的设计中，低功耗设计（Low-Power Design）是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。
那么,我们应该从哪些方面来考虑低功耗设计呢？笔者认为应从以下几方面综合考虑：
1.处理器的选择
2.接口驱动电路设计
3.动态电源管理
4.电源供给电路的选择
下面我们分别进行讨论：
一、处理器的选择
我们对一个嵌入式系统的选型往往是从其CPU和操作系统（OS）开始的，一旦这两者选定，整个大的系统框架便选定了。我们在选择一个CPU的时候，一般更注意其性能的优劣（比如时钟频率等）及所提供的接口和功能的多少，往往忽视其功耗特性。但是因为CPU
是嵌入式系统功率消耗的主要来源---对于手持设备来讲，它几乎占据了除显示屏以外的整
个系统功耗的一半以上（视系统具体情况而定），所以选择合适的CPU对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。
一般的情况下，我们是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量，即Watt/M IPS。但是，这仅仅是一个参考指标，实际上各个CPU的体系结构相差很大，衡量性能的方式也不尽相同，所以，我们还应该进一步分析一些细节。
我们把CPU的功率消耗分为两大部分：内核消耗功率PCORE和外部接口控制器消耗功率PI/O，总的功率等于两者之和，即P=PCORE+PI/O。对于PCORE，关键在于其供电电压和时钟频率的高低；对于PI/O来讲，除了留意各个专门I/O控制器的功耗外，还必须关注地址和数据总线宽度。下面对两者分别进行讨论：
1、CPU供电电压和时钟频率
我们知道，在数字集成电路设计中，CMOS电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本可以忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为：
Pd=CTV2f
式中，Pd---CMOS芯片的动态功耗
CT----CMOS芯片的负载电容
V----CMOS芯片的工作电压
f-----CMOS芯片的工作频率
由上式可知，CMOS电路中的功率消耗是与电路的开关频率呈线性关系，与供电电压呈二次平方关系。对于一颗CPU来讲，Vcore电压越高，时钟频率越快，则功率消耗越大。所以，在能够满足功能正常的前提下，尽可能选择低电压工作的CPU能够在总体功耗方面得到
较好的效果。对于已经选定的CPU来讲，降低供电电压和工作频率，也是一条节省功率的可行之路。
2、总线宽度
我们还经常陷入一个误区，即：CPU外部总线宽度越宽越好。如果我们仅仅从数据传输速度上来讲，也许这个观点是对的，但如果在一个对功耗相当敏感的设计来说，这个观点就不一定正确了。
同样引用公式Pd=CTV2f ，对于每一条线（地址等数据线）而言，都会面临这样的功率消耗，显而易见，当总线宽度越宽的时候，功耗自然越大。每条线路的容性负载都不太一样，但一般都在4～12PF之间。我们来看下面一个例子：一片1Mbit Flash通过8bit和16bit 的总线与CPU相连，总线频率为4MHZ ，总线电压为3.3V。我们可以得到以下结果：
由上可见，采用16-bit总线和采用8-bit总线会有3.7mw的功耗差异。
当然，如果需要大量频繁地存取数据的场合下，用8-bit总线不见得会经济，因为增加了读写周期。
另外，从上面的例子我们也可以看到：如果CPU采用内置Flash的方式，也可大大地降低系统功率消耗。
二、接口驱动电路的低功耗设计
接口电路的低功耗设计，往往是容易被大家所忽略的一个环节，在这个环节里，我们除了考虑选用静态电流较低的外围芯片外，还应该考虑以下几个因素：
1.上拉电阻/下拉电阻的选取
2.对悬空脚的处理
3.Buffer的必要性
通常我们习惯随意地确定一个上拉电阻值，而没有经过仔细地计算。现在我们来简单计算一下，如果在一个3.3V的系统里用4.7KΩ为上拉电阻，当输出为低的时候，每只脚上的电流消耗就为0.7mA，如果有10个这样的信号脚时，就会有7mA电流消耗在这上面。所以我们应该在考虑在能够正常驱动后级的情况下（即考虑IC的VIH或VIL）,尽可能选取更大的阻值。现在很多应用设计中的上拉电阻值甚至高达几百KΩ。另外，当一个信号在多数情况下时为低的时候，我们也可以考虑用下拉电阻以节省功率。
CMOS器件的悬空脚也应该引起我们的重视。因为CMOS悬空的输入端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致输入端信号电平随机变化，导致C PU在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入休眠状态或其他莫名其妙的故障，所以正确的方法是将未使用到的输入端接到VCC或地。
Buffer有很多功能，如电平转换，增加驱动能力，数据传输的方向控制等等，但如果仅仅基于驱动能力的考虑增加Buffer的话，我们就应该慎重考虑了，因为过驱动会导致更多的能量被白白浪费掉。所以我们应该仔细检查芯片的最大输出电流IOH和IOL是否足以驱动下级IC，如果可以通过选取合适的前后级芯片来避免Buffer的使用，对于能量来讲是一个很大的节约。
三、动态电源管理（DPM）
所谓动态的电源管理就是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态控制来达到节省功率的目的，这种动态控制是与系统的运行状态密切相关的，这个工作往往通过软件来实现。
1、选取不同工作模式
如前所述，系统时钟对于功耗大小有非常明显的影响。所以我们除了着重于满足性能的需求外，还必须考虑如何动态地设置时钟来达到功率的最大程度节约。CPU内部的各种频率都是通过外部晶振频率经由内部锁相环（PLL）倍频式后产生的。于是，是否可以通过内部寄存器设置各种工作频率的高低成为控制功耗的一个关键因素。现在很多CPU都有多种工作模式，我们可以通过控制CPU进入不同的模式来达到省电的目的。
我们以SAMSUNG S3C2410X （32bit ARM 920T内核）为例，它提供了四种工作模式：正常模式、空闲模式、休眠模式、关机模式，各种模式的功耗如下：
由上图可见，CPU在全速运行的时候比在空闲或者休眠的时候消耗的功率大得多。省电的原则就是让正常运行模式远比空闲、休眠模式少占用时间。在类似PDA的设备中，系统在全速运行的时候远比空闲的时候少，所以我们可以通过设置使CPU尽可能工作在空闲状态，然后通过相应的中断唤醒CPU，恢复到正常工作模式，处理响应的事件，然后再进入空闲模式。
2、关闭不需要的外设控制器
一般来讲，CPU都提供各种各样的接口控制器，如I2C、I2S、LCD、Flash、Timer、UA RT、SPI、USB等等，但这些控制器在一个设计里一般不会全部都用到，所以我们对于这些
不用的控制器往往任其处于各种状态而不用花心思去管。但是，当你想尽可能节省功耗的情况下，则必须关注它们的状态，因为如果不将其关闭，即使它们没有处于工作状态，但是仍然会消耗电流。仍以S3C2410X来讲：
从上表我们可以看到，通过设置寄存器我们可以有选择地关闭不需要的功能模块，以达到节省电的目的，比如在我们的实际应用中，ADC、I2C、I2S和SPI都没有用到，通过C LKCON寄存器的设置，我们可以节省2mA的电流。当然，也可以动态关闭一些仍然需要的外设控制器来进一步节省能量。如在空闲模式下，CPU 内核停止运行，我们还可以进一步关闭一些其他的外设控制器，如USB,SDI,FLASH等，只要保证唤醒CPU的I/O控制器正常工作即可,如通过UART唤醒，则UART控制器不能被关闭。等到CPU被唤醒后，再将USB、SDI、Fl ash等控制器再打开。
上面两种方式只是动态电源管理的最为简单的实现。在这两种方式中，一种是通过改变了系统的时钟频率，另一种是通过控制外设控制器的开关来达到节约能量的目的。在最近的研究中，已经有人把目光投入到了同时动态改变处理器的电压和频率来进一步节省功率，如IBM和MontaVista合作进行的嵌入式系统的动态电源管理的研究。这是一个更为复杂、也更为系统的工程，它涉及了从硬件到操作系统以及应用层的有关内容。
四、电源供给电路
在数字电路设计中，工程师往往习惯于采用最简单的方式来完成电源的设计，但在对功耗要求严格的情况下，我们就必须对采用何种电压变换结构仔细考虑一番再做决定。
通常来讲，我们有以下几种进行电压转换的方式：
1.线性稳压（Linear Regulator）
2.DC to DC
3.LDO（Low Drop-Out）
其中LDO本质上还是一种线性稳压，主要用于压差较小的场合。所以我们将其合并为线性稳压来谈。
对于线性稳压来说，其特点时电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很大，但其致命弱点就是效率低，功耗高。其效率η完全取决于输出电压大小。下图是线性稳压器LM7805的输出电流大小相对压差的曲线图。
由图中可见，压差越大，可提供的最大输出电流越小。假设采用LM7805,输入12V，输出电压为5V，压差为7V, 输出的电流为1A的情况下，我们可以计算出消费在线性稳压器上的功率为P=ΔV*IOUT=7*1=7w，效率仅为η＝5×1/(5*1+7*1)=41.7%,由这个结果我们可以看出，有一大半功率消耗在IC本身上。
DC to DC电路的特点是效率高，升降压灵活，但缺点时电路相对复杂，干扰较大。一般常见的由Boost和Buck两种电路，前者用于升压，后者用于降压，示意图如下：
这两种电路的核心是通过MOS管的开关来控制电感和电容间的能量转换。调节MOS管栅极脉冲信号的占空比可以控制MOS管的导通和关闭，从而改变输出电压的高低。
下图是一个从12V转换到5V的DC to DC电路图，其控制IC采用国家半导体（NS）的LM2596，实际是采用Buck电路，其MOSFET和相关的控制电路位于芯片内部，其转换效率图如下：
由转换效率图可见，当输入为12v,输出为5v时，转换效率约为82％，为线性稳压器转换效率的一倍。LM2596的开关频率为固定的130KHZ，如果我们提升器件的开关频率，如采用NS的LM2676时（260KHZ开关频率），在同样的应用条件下，效率可达88％以上。
从上面的论述中我们可见，在适当的情况下使用DC-DC的电压转换线路，可以有效地节约能量，降低整机功耗。
第27卷第6期增刊 2006年6月 仪 器 仪 表 学 报 Chinese Journal of Scientific Instrument Vol.27No.6 J une.2006 嵌入式系统的低功耗设计 3 杨天池 金 梁 王天鹏 (解放军信息工程大学 郑州 450002) 摘 要 嵌入式系统的电源管理是系统设计中关键部分,合理的电源管理方案可以减少系统的功耗并提高整体性能。本文提出了一种层次化的电源管理结构,分别为硬件层、驱动层、操作系统层、电源管理层和应用层。本文同时引入了动态的电源管理方法来解决电源功耗的动态管理问题。通过在实际的系统中的测试表明,该电源管理机制的有效性。关键词 嵌入式系统 低功耗设计 动态电源管理 PXA255 Low pow er design in embedded system Yang Tianchi Jin Liang Wang Tianpeng (Universit y of I nf ormation Engineering ,Zhengz hou 450002,China ) Abstract Proper power management mechanism is important when designing embedded system.It is helpful to reduce power consumption and improve performance.This low power model adopt s five 2layer architecture ,which are hardware platform ,driver layer ,operating system ,power manage mechanism and application program.Dynamic power management (DPM )technology is also introduced to solve the problem of power consumption.The experiment on embedded system demonstrates t hat this power management mechanism is feasible.K ey w ords embedded system low power design dynamic power management PXA255 3基金项目:河南人才创新基金(0421000100) 1 引 言 随着嵌入式系统的发展以及应用面的不断扩展,功耗控制是系统设计中必不可少的组成部分。如何最大限度的降低系统功耗、减少不必要的能源损失、延长电池使用时间已经成为嵌入式系统特别是便携式系统设计中研究的热点问题。系统的低功耗设计,并非是某一方面、某一角度的解决方案,而应当从系统级的设计考虑功耗的节省,是一个硬件设计与软件控制相互结合的协调过程。 2 低功耗电路模型 低功耗设计对于无线设备、PDA 等便携式设备的实际应用具有重要的意义。低功耗元件的发展和系统设计的进步使得通用计算技术可以用到表、无线电话、 PDA 和桌面计算机中。在这些系统中的电源管理技 术传统上集中在休眠模式和设备能源管理这2个方面上[1]。但是,这样的电源管理缺乏直观性和灵活性,而且功耗的降低,并非单独软件、硬件单方面可以解决的[2],因此设计并建立如图1所示的系统低功耗设计模型。整个模型由硬件平台,驱动层,操作系统层,电源管理机制层和应用程序五个部分组成。 2.1 硬件平台 几乎所有系统功耗都集中于硬件平台,因此降低硬件平台的功耗是实现低功耗的基本所在。公式(1)为系统功耗的表达式: P ∞CV 2 f (1) 式中:C 是负载电容,V 是器件电压,f 是工作频率[3]。系统功耗同负载电容、器件电压平方以及工作频率成正比。因此,硬件平台设计多选用低电压,电压、频率可调器件,以及采用SOC 设计来进一步降低功耗[4,5]。另外,模式可控器件在空闲状态消耗的能量为运行状
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第1章汇编语言基础知识（全） 2010-10-18 19:32:40| 分类：答案集锦| 标签：|字号大中小订阅 第1章汇编语言基础知识 〔习题1.1〕简述计算机系统的硬件组成及各部分作用。 〔解答〕 CPU：包括运算器、控制器和寄存器组。运算器执行所有的算术和逻辑运算；控制器负责把指指令逐条从存储器中取出，经译码分析后向机器发出各种控制命令，并正确完成程序所要求的功能；寄存器组为 处理单元提供所需要的数据。 存储器：是计算机的记忆部件，它用来存放程序以及程序中所涉及的数据。 外部设备：实现人机交换和机间的通信。 〔习题1.2〕明确下列概念或符号： 主存和辅存，RAM和ROM，存储器地址和I/O端口，KB、MB、GB和TB 〔解答〕 主存又称内存是主存储器的简称，主存储器存放当前正在执行的程序和使用的数据，CPU可以直接存取，它由半导体存储器芯片构成其成本高、容量小、但速度快。辅存是辅助存储器的简称，辅存可用来长期保存大量程序和数据，CPU需要通过I/O接口访问，它由磁盘或光盘构成，其成本低、容量大，但速 度慢。 RAM是随机存取存储器的英语简写，由于CPU可以从RAM读信息，也可以向RAM写入信息，所以RAM也被称为读写存储器，RAM型半导体存储器可以按地址随机读写，但这类存储器在断电后不能保存信息；而ROM中的信息只能被读出，不能被修改，ROM型半导体通常只能被读出，但这类存储器断电 后能保存信息。 存储器由大量存储单元组成。为了区别每个单元，我们将它们编号，于是，每个存储单元就有了一个存储地址，I/O接口是由一组寄存器组成，为了区别它们，各个寄存器进行了编号，形成I/O地址，通常 称做I/O端口。 KB是千字节、MB是兆字节、GB是吉字节和TB是太字节，它们都是表示存储器存储单元的单位。 〔习题1.3〕什么是汇编语言源程序、汇编程序、目标程序？ 〔解答〕 用汇编语言书写的程序就称为汇编语言源程序；完成汇编工作的程序就是汇编程序；由汇编程序编 译通过的程序就是目标程序。
《汇编语言程序设计》课程教学大纲 二、课程简介 汇编语言是计算机能够提供给用户使用的最快最有效的语言，也是能够利用计算机所有硬件特性并能直接控制硬件的唯一语言，因而，对程序的空间和时间要求很高的场合及需要直接控制硬件的应用场合，汇编语言的应用是必不可少三、课程目标 汇编语言课程是计算机专业的一门专业选修课。通过本课程的学习，应使学 生系统地了解计算机组成原理与内部的运行机理，掌握汇编语言程序设计及相关 知识，为学习本专业后继课程和进行与硬件有关的技术工作打下良好基础。通过 上机实验，使学生受到软硬件实验的初步训练，并培养学生分析问题和解决问题 的能力。 四、教学内容及要求 第一章基础知识 1.教学内容 (1) 为什么要用汇编语言编写程序 (2) 进位计数制与不同基数的数之间的转换 (3) 二进制数和十六进制数运算 (4) 计算机中数和字符的表示 (5) 几种基本的逻辑运算 2.基本要求 了解机器指令、代码指令、机器语言、汇编指令、汇编语言、汇编语言源程 序、汇编程序、汇编等概念；掌握进位计数制与不同基数的数之间的转换及
运算；计算机中数和字符的表示；“与”、“或”、“非”、“异或”等几种基本的逻辑运算； 第二章80X86计算机组织 1.教学内容 计算机系统概述、存储器、中央处理机和外部设备。 2.基本要求 理解计算机的硬件和软件系统及其关系。掌握计算机的基本结构及总线；存储器的内容、地址及存储器的分段；中央处理机的组成、80X86系列CPU工作寄存器构成和功能，特别是段寄存器和标志寄存器；外设接口、端口和8086/8088的端口地址范围和访问方法。 第三章80X86的指令系统 1.教学内容(重点内容) IBM PC机的寻址方式、IBM PC机的指令系统。 2.基本要求 熟练掌握IBM PC机寻址方式及物理地址的计算；数据传送、算术、逻辑、串处理、控制转移和处理机控制指令六组中的所有指令的格式、操作、及影响的标志位。了解机器语言的指令组成； 第四章汇编语言程序格式 1.教学内容 汇编程序功能、伪操作、汇编语言程序格式、汇编语言程序的上机过程。 2.基本要求 掌握DEBUG程序和命令及能用DEBUG 程序调试和运行简单小程序；汇编语言上机步骤、汇编程序的功能；数据定义及存储器分配、表达式赋值“EQU”和“=”、段定义、程序开始和结束、对准、基数控制等六类伪操作；汇编语言程序格式中的名字、操作、操作数和注释等项。 第五章循环与分支程序设计 1.教学内容 程序设计的一般步骤和基本结构、循环程序设计和分支程序设计 2.基本要求 掌握汇编语言程序的编制步骤和结构化程序设计的三种基本结构；循环的设计方法和多层循环的设计；分支程序的设计方法，并能编制相应的程序。第六章子程序结构 1.教学内容 子程序的设计方法、嵌套与递归子程序、子程序举例和DOS系统功能调用
嵌入式系统设计与应用 本文由kenneth67贡献 ppt文档可能在W AP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 课程名称：课程名称：嵌入式系统设计与应用 总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12 36学时12学时总学时：其中讲课36学时，上机实践环节12学时教材：嵌入式系统设计教程》教材：《嵌入式系统设计教程》电子工业出版社马洪连参考书：参考书：1、《嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 嵌入式系统开发与应用》北航出版社、田泽编著. 2、《ARM体系结构与编程》清华大学出版社杜春雷编著ARM体系结构与编程体系结构与编程》嵌入式系统设计与实例开发—ARM ARM与C/OS3、《嵌入式系统设计与实例开发ARM与μC/OS-Ⅱ》清华大学出版社王田苗、魏洪兴编著清华大学出版社王田苗、ARM嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构》4、《ARM嵌入式微处理器体系结构》北航出版社、马忠梅等著. 北航出版社、马忠梅等著. 张石．ARM嵌入式系统教程嵌入式系统教程》5、张石．《ARM嵌入式系统教程》．机械工业出版2008年社．2008年9月 1 课程内容 绪论：绪论： 1）学习嵌入式系统的意义2）高校人才嵌入式培养情况嵌入式系统设计（实验课）3）嵌入式系统设计（实验课）内容安排 第1章嵌入式系统概况 1.1 嵌入式系统的定义1.2 嵌入式系统的应用领域及发展趋势1.3 嵌入式系统组成简介 第2章嵌入式系统的基本知识 2.1 2.2 2.3 嵌入式系统的硬件基础嵌入式系统的软件基础ARM微处理器的指令系统和程序设计ARM微处理器的指令系统和程序设计 2 第3章 3.1 3.2 3.3 基于ARM架构的嵌入式微处理器基于ARM架构的嵌入式微处理器ARM 概述嵌入式微处理器的组成常用的三种ARM ARM微处理器介绍常用的三种ARM 微处理器介绍 第4章 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 嵌入式系统设计 概述嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统接口设计嵌入式系统人机交互设备接口嵌入式系统的总线接口和网络接口设计嵌入式系统中常用的无线通信技术 3 第5章嵌入式系统开发环境与相关开发技术 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 6.1 6.2 6.3 6.4 概述嵌入式系统的开发工具嵌入式系统调试技术嵌入式系统开发经验嵌入式系统的Bootloader Bootloader技术嵌入式系统的Bootloader技术μC/OS-II操作系统概述C/OS-II操作系统概述ADS开发环境ARM ADS开发环境C/OS-II操作系统在ARM系统中的移植操作系统在ARM μC/OS-II操作系统在ARM系统
ARM9嵌入式复习 第一章 1.嵌入式微处理器的分类。 a)什么是嵌入式微处理器？ 1.嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用CPU中许多 由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于系统设计趋于小型化、高效率和高可靠性。嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中。 2.嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令 系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Set Computer, CISC）。 b) 嵌入式微处理器分类 1.按照系列分：ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列。 2.按照指令复杂程度分：CISC和RISC两类 2.微处理器划分： a)嵌入式微控制器 b)嵌入式微处理器 c)DSP处理器 d)嵌入式片上系统 e)多核处理器 3.嵌入式操作系统（EOS）的特性 EOS除具备了一般操作系统最基本的任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等功能外，还具有如下特点：强实时性；支持开放性和可伸缩性的体系结构，具有可裁减性；提供统一的设备驱动接口；提供操作方便、简单、友好的图形GUI和图形界面；支持TCP/IP协议及其他协议，提供TCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的MAC访问层接口，提供强大的网络功能。 第二章 1.ARM7TDMI命名 2.3级流水线与总线架构
三级流水线： 流水线使用3个阶段，因此指令分为3个阶段执行 1.取指:从程序存储器中读取指令,放入流水线中 2.译码:操作码和操作数被译码,决定执行什么功能,为下一个始终周期准备数据路 径所需要的控制信号。 3.执行:执行已译码的指令 注：程序计数器（PC）指向被取指的指令，而不是指向正在执行的指令 在正常操作的过程中，在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出 3.ARM的两种状态与7种工作模式 a)两种状态。 i.ARM状态：32位，这种状态下执行的是字方式的ARM指令； ii.Thumb状态：16位，这种状态下执行半字方式的Thumb指令。 注：两个状态之间的切换并不影响处理器模式或寄存器内容,可以使用BX指令切换两种状态.状态寄存器CPSR的T位反应了处理器运行不同指令的当前状态. b)7种工作模式。
通过对几个方面的分析较为全面地介绍了嵌入式系统的低功耗设计方法。其中涉及到了CMOS 器件功耗的理论分析，线性稳压和DC to DC的电路介绍, 并以实际的芯片和电路比较进行了功耗分析，较为综合地总结了低功耗设计的若干方法和技巧。 关键词：低功耗设计（Low-Power Design）、动态电源管理（DPM）、线性稳压（Linear Regulator）、DC to DC、LDO（Low Drop-Out） 经过近几年的快速发展，嵌入式系统（Embedded system）已经成为电子信息产业中最具增长力的一个分???。随着手机、PDA、GPS、机顶盒等新兴产品的大量应用，嵌入式系统的市场正在以每年30%的速度递增（IDC预测），嵌入式系统的设计也成为软硬件工程师越来越关心的话题。 在嵌入式系统的设计中，低功耗设计（Low-Power Design）是许多设计人员必须面对的问题，其原因在于嵌入式系统被广泛应用于便携式和移动性较强的产品中去，而这些产品不是一直都有充足的电源供应，往往是靠电池来供电，所以设计人员从每一个细节来考虑降低功率消耗，从而尽可能地延长电池使用时间。事实上，从全局来考虑低功耗设计已经成为了一个越来越迫切的问题。 那么,我们应该从哪些方面来考虑低功耗设计呢？笔者认为应从以下几方面综合考虑： 1处理器的选择 2接口驱动电路设计 3动态电源管理 4电源供给电路的选择 下面我们分别进行讨论： 一、处理器的选择 我们对一个嵌入式系统的选型往往是从其CPU和操作系统（OS）开始的，一旦这两者选定，整个大的系统框架便选定了。我们在选择一个CPU的时候，一般更注意其性能的优劣（比如时钟频率等）及所提供的接口和功能的多少，往往忽视其功耗特性。但是因为CPU是嵌入式系统功率消耗的主要来源---对于手持设备来讲，它几乎占据了除显示屏以外的整个系统功 耗的一半以上（视系统具体情况而定），所以选择合适的CPU对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。 一般的情况下，我们是在CPU的性能（Performance）和功耗（Power Consumption）方面进行比较和选择。通常可以采用每执行1M次指令所消耗的能量来进行衡量，即Watt/MIPS。但是，这仅仅是一个参考指标，实际上各个CPU的体系结构相差很大，衡量性能的方式也不尽相同，所以，我们还应该进一步分析一些细节。
cmp r0,#5 bcs aaa add r0,r0,#1 aaa nop cmp r0,#5 addcc r0,r0,#1 bl指令完成两个功能：将子程序的返回地址保存在LR即R14同时将PC的值改为目标子程序的第一条指令的地址。 Start: Mov r0,#10 Mov r1,#3 Bl doadd Mov r1,r1,r0 Doadd Add r0,r0,r1 Mov pc,lr .end 用汇编程序实现IF语句的功能： Mov r0,#15 Mov r1,#12 Cmp r0,r1
Movhi r2,#100 Movls r2,#50 用汇编程序实现FOR循环的功能：Mov r0,#0 Mov r1,#10 Mov r2,#0 L1: cmp r0,r1 Bhs l2 Add r2,r2,#1 Add r0,r0,#1 B l1 L2: .end 用汇编语言实现WHILE循环While(x<=y) X=x*2; mov r0,#1 mov r1,#20 b l2 l1: mov r0,r0, lsl #1 l2: cmp r0,r1 bls l1 end
用汇编语言实现计算算术功能：n equ 100 .global _start -start: .arm arm_code: Ldr sp,=0x40003f00 Adr r0,thumbcode+1 Bx r0 .ltorg .thumb Thumb_code: Ldr r0,=n Bl sum_n B thumb_code Sum_n: Push {r1-r7,lr} Movs r2,r0 Beq sum_end Cmp r2,#1 Beq sum_end Mov r1,#1
《自动化技术与应用》２００９年第２８卷第６期 Techniques of Automation & Applications | 43 1 引言 嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,且软硬件可裁减,是对功能、可靠性、成本、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由以下几部分组成: 嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、及特定的应用程序。 当前,人类进入信息爆炸的时代,各类信息极度丰富,数字信息技术和网络技术的高速发展,只有借助于各种计算机,才能够对各类信息进行处理,它们已不再局限于以前的PC,而是由形态各异、性能千差万别的嵌入式系统来完成。而嵌入式操作系统主要有:嵌入式Linux 、WindowsCE 、Vxworks 、uC/OS-II 等[1]。本文主要研究嵌入式Linux 在嵌入式系统中的应用。 2 嵌入式Linux 操作系统及特点 将Linux 应用于嵌入式环境,是基于其具有以下特点:(1)Linux 操作系统是层次结构,并且内核源代码完全开放。不同领域和不同层次的用户可以根据自己应用的需要,对内核进行修改,能够低成本的开发出满足自己需要的嵌入式系统。(2)其具有强大的网络支持功能。Linux 诞生于因特网时代,并具有 ARM9上的嵌入式Linux 系统移植 邹颖婷,李绍荣 (电子科技大学光电信息学院，四川 成都 610054) 摘 要:Linux 操作系统在各个嵌入式领域有着越来越广泛的应用。主要研究了在ARM9体系结构上,嵌入式Linux 系统的移植。介 绍了嵌入式Linux 操作系统、移植目标平台SBC2410、及Linux 内核源代码的目录结构。然后详细讲述了在SBC2410硬件平台上实现Uboot 移植的过程,及概要介绍了Linux 操作系统内核移植的过程。最后将嵌入式Linux 系统成功移植上SBC2410平台。 关键词:ARM9;嵌入式Linux;Uboot 移植;内核移植 中图分类号:TP311.54 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2009)06-0043-03 Transplant of the Linux System on ARM9 ZOU Ying-ting, LI Shao-rong ( School of Opto-Electronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054 China )Abstract: Linux OS has been more and more widely applied in many embedded areas. This paper introduces the transplantation of the Embedded Linux System on the ARM9. The Embedded Linux OS, the SBC2410 board, and the directory structure of the Linux kernel are introduced. The transplant process of the Uboot and of the Linux kernel are also discussed. Key words: ARM9; embedded Linux; transplantation of Uboot; transplantation of the Linux kernel 收稿日期：２００９－０１－０４ Unix 的特性,这保证了它支持所有标准因特网协议,并且可以利用Linux 的网络协议栈,将其开发成为嵌入式的TCP/IP 网络协议栈。此外,Linux 还支持ext2、fat16、fat32、romfs 等文件系统,为嵌入式系统应用开发打下了很好的基础。(3)Linux 具备一整套工具链,容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境,可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。而且,Linux 也符合IEEE POSIX.1标准,使应用程序具有较好的可移植性[2]。 3 SBC2410硬件平台介绍 SBC2410是一款基于三星公司ARM9处理器S3C2410A,支持ARM-Linux 、WindowsCE 等操作系统的嵌入式硬件平台。平台的主要硬件资源有:一片64M SDRAM,一片64M Nand Flash,一片1M Nor Flash,一个串口 COM0,一个USB Host A 型接口,一个USB Slave B 型接口,一个标准JTAG 接口,等等。平台支持Linux2.4.18内核版本。 4 嵌入式Linux 系统移植 移植主要包括引导加载程序Uboot 的移植和Linux2.4.18内 计算机应用 Computer Applications
实验二ARM汇编语言程序设计 实验目的 1、了解ARM汇编语言程序的结构特点 2、了解ARM汇编语言程序的编写方法 3、掌握用ARM汇编语言设计简单程序 实验仪器设备及软件 ARM实验箱，计算机，ADS程序开发软件 实验原理 1、存储空间的格式 ARM920将存储空间视为从0开始由字节组成的线性集合，字节0-3中保存了第一个字，字节4-7中保存了第二个字，依此类推。字节还可以按小端格式或大端格式排列。ARM实验箱中存储器的配置见附录C。 2、ARM的寄存器 ARM状态下任何时刻都可以看到16个通过寄存器（r0-r15），1或2个状态寄存器(CPSR,SPSR)，在特权模式下会切换到具体模下的寄存器组。每个寄存器都是32位的，并且每个通用寄存器都可以作为数据处理的源数据或目标数据寄存器。因此可以编写出更精简的程序。 3、ARM指令的条件执行 状态寄存器中的N，Z，C，V是数据处理指令影响的标志。几乎每条ARM指令可以根据状态位或状态位的逻辑运算有条件执行。条件执行的指令后缀参考教材。 4、桶形移器 ARM的桶形移位器，使ARM指令的中第二个操作数非常录活。利用移位器，一条ARM 指令可以完成更多功能。移位操作有： LSL 逻辑左移 LSR 逻辑右移 ASL 算术左移 ASR 算术右移 ROR 循环右移 RRX 带扩展循环右称 实验内容 1、把内存中ramaddr开始的ramword个字清零 （1）用后变址法 ramaddr equ 0x31000000 ramword equ 64 clrram mov r0,#0 mov r1,#ramword ldr r2,=ramaddr clrram1 str r0,[r2]，#4 subs r1,r1,#1
作者简介 Andrew N.Sloss于1992年获得Herefordshire大学（英国）计算机科学学士学位，英国计算机协会认证注册工程师（C.Eng,MBCS）。他已在计算机行业工作了16年，从1987年开始参与有关ARM处理器的研发，在ARM处理器上开发了众多领域的应用项目，积累了丰富的经验。他为Emerald出版集团（英国）设计了首个能够在ARM2和ARM3处理器上运行的针对中文和埃及象形文字的编辑系统。他在ARM公司工作了6个多，目前是ARM在美国加州Los Gatos的技术销售工程师，负责为开发新产品的公司提供建议和支持。 编辑推荐 从事ARM嵌入式系统软件开发的每一位工程师的桌上都应摆着这本书。对于初学者来说，它是一本详尽、透彻的使用指南；对于ARM专家来说，它则是一本有益的参考书。从审阅本书的第一稿以来，我就一直在使用这本书，我愿向任何希望从基于ARM的产品获得最大收益的人推荐这本书。
在过去的10年间，ARM体系统结构已经成为世界上最流行的体系结构之一，从蜂窝电话到汽车制动系统，在这些产品中使用了超过20亿片基于ARM的处理器。许多半导体厂商和产品设计公司组成了全球范围的ARM开发者团体，包括软件开发者、系统设计师和硬件设计师。就ARM系统和软件开发来说，到目前为止，还没有其它任何一本书籍能够真正满足其需求，本书将填补这一空白。 本书涵盖了ARM和Thumb指令集、Intel的XScale处理器，概括了ARM体系结构的不同版本之间的差异，示范了如何实现DSP算法，解释了异常和中断处理，描述了围绕ARM内核的cache技术，以及最有效的存储器管理技术。最后一章介绍了ARMv6体系结构的特征和ARM未来的发展，以及对指令集所做的最新改进，这些改进增强了ARM体系结构的DSP和多媒体处理能务。 本收特色 本书从系统和软件我角度来描述了ARM内核，这是与其它书的显著差别。 作者结合了丰富的ARM软件工程经验和ARM开发者的需要的广泛、透彻的知识。 书中提供了许多实用的运行代码范例，并作了详尽的解释，可以从出版商的网站下载 ：https://www.doczj.com/doc/1f7411915.html,/companions/1558608745。 包含了一个简单的嵌入式操作系统。 本书简介 本书从软件设计的角度，全面、系统地介绍了ARM处理器的基本体系结构和软件设计与优化方法。内容包括：ARM处理器基础；ARM/Thumb指令集；C语言与汇编语言程序的设计与优化；基本运算、操作的优化；基于ARM的DSP；异常与中断处理；固件与嵌入式OS；cache与存储器管理 ；ARMv6体系结构的特点等。全书内容完整，针对各种不同的ARM内核系统结构都有详尽论述，并有大量的例子和源代码。附录给出了完整的ARMv4/v5/Thumb指令的功能、编码、周期定时以及汇编参考。 本书适于从事ARM嵌入式系统教学与研发，或想把其它嵌入式平台的软件移植到ARM平台上去的专业技术人员使用，要求对ARM处理器有一定的了解，并有C语言和汇编语言基础。若在编译原理、操作系统、数字信号处理、计算机体系结构等方面有一定的基础，则效果会更好。本书也可作为嵌入式系统专业方向的本科生和研究生相关课程的教材或教学参考书。 目录 第1章 基于ARM的嵌入式系统 1.1 RISC设计思想 1.2 ARM设计思想 1.3 嵌入式系统的硬件 1.3.1 ARM总线技术 1.3.2 AMBA总线协议 1.3.3 存储器 1.3.4 外设 1.4 嵌入式系统的软件 1.4.1 初始化（启动）代码 1.4.2 操作系统 1.4.3 应用程序 1.5 总结 第2章 ARM处理器基础 2.1 寄存器 2.2 当前程序状态寄存器 2.2.1 处理器模式 2.2.2 分组寄存器
目前，嵌入式实时系统已经渗透到社会的每个角落，不管在军事还是民用领域。由此，学者对嵌入式实时系统的研究也如火如荼，当然对其的设计方法也应密切关注。嵌入式设计阶段的主要任务是如何在给定的约束条件下完成系统的目标。当下，嵌入式实时系统的设计方法主要分为结构化设计方法、面向对象的设计方法和基于组件的设计方法。 结构化设计方法是嵌入式软件最成熟、使用最广泛的设计方法。由于应用系统可抽象成一个不断处理外部事件的过程，结构化设计方法就是按照结构化的设计原则分别设计好各个事件处理模块。其中，CODARTS（concurrent design approach for real-time systems,并发性实时系统结构设计方法）是最好的，它使用了信息隐藏技术，并适用于处理任务结构。 结构化设计方法的主要步骤为（1）开发系统的环境模型和行为模型，将大型系统分解成若干个子系统，并且确定子系统中对象和功能以及它们在外部事件序列场景下进行交互的方式；（2）应用任务结构化标准确定系统中的并发任务，主要内容包括并发任务的确定、任务间通信以及同步接口的确定；（3）应用模块结构化标准确定系统中信息隐藏模块；（4）根据任务划分和信息隐藏模块划分构造软件架构；（5）定义组件接口规范，以增量方式开发软件。 嵌入式实时系统的开发是面向对象技术的主要应用领域之一，采用面向对象的分析与设计方法，便于大型复杂的嵌入式系统的分解和设计。面向对象的设计方法将系统划分为对象，处理各对象之间的交互，完成系统的功能实现，同时实现信息隐藏。其中，ObjectGeode是目前嵌入式系统开发中较为流行的一套面向对象方法学，它既是方法学，又是CASE工具软件。 面向对象的设计方法主要步骤为（1）对象建模实现系统的静态模型，描述系统的静态关系，从而确定出与系统有关的实体，然后，动态建模通过用户实例建模来进行，以描述系统的动态行为和确定出系统与环境、系统内部各组成部分之间的交互关系；（2）定义应用的体系结构，使用自顶向下的分析方法将一个问题划分为比较容易解决的子问题，使用自底向上的分析方法来复用已存在的组件，同时确定并行对象之间的通信关系；（3）详细设计对系统行为进行全面描述，对并行对象和被动对象做进一步详细描述；（4）测试实例设计对并行对象的内部结
基于ARM9的嵌入式Linux网络通信 系统设计与实现
随着计算机技术的发展,嵌入式系统已经成为计算机领域的一个重要组成部分。Internet现已成为社会重要的基础信息设施之一,是信息流通的重要渠道,如何让嵌入式设备连接到Internet上,和其他通信系统进行信息交换是当前嵌入式技术领域研究的热点所在。本文结合实际应用需求,详细研究实现了一种基于S3C2410平台和Linux操作系统的嵌入式网络通信系统。 1.嵌入式网络通信系统总体设计 经过大量的资料收集比较,深入地研究分析并结合现有的实验条件,我们对系统的体系结构、硬件平台和软件系统做出了以下选择: 1)目前嵌入式CPU很多,选择哪款CPU要根据自己产品的实际需要。一般而言,首先应尽量选择系统集成度高、外围电路简洁的CPU;其次,还应综合考察CPU的各项性能指标;最后,还应该考虑软硬件开发环境的建立、厂家的货源以及代理的软件支持力度。经过比较, 本设计采用三星的S3C2410微处理器。这是一款高性价比、低功耗、高集成度的CPU,基于ARM920T内核,主频最高为203MHz,专为手持设备和网络应用而设计,能满足嵌入式系统中的低成本、低功耗、高性能、小体积的要求。 图1为硬件平台的总体设计[ 1 ] 。CPU S3C2410模块是开发板的核心部件。S3C2410 在包含ARM920T核的同时,增加了丰富的外围资源,主要包括1个LCD 控制器,支持STN 和TFT液晶显示屏; 3个通道UART; 4个通道DMA; 4个具有PWM功能的16位定时/计数器和1个16位内部定时器, 支持外部时钟源; 8通道10位ADC,最高速率可达500kB / s;触摸屏、IIS总线、SD 卡和MMC卡接口;117位通用I/O口和24位外部中断源。存储系统包括64MB的NAND Flash存储器模块和SDRAM存储器模块; Flash用于存放嵌入式操作系统、应用程序和用户数据等,并作嵌入式文件系统; SDRAM作为系统运行时的主要区域,用于存放系统及用户数据。通信模块包括串口和以太网接口模块;以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道, UART接口则通过RS232可以和宿主机做串口通讯。JTAG调试接口用于系统的嵌入式调试。扩展总线扩展出了系统总线供今后继续开发使用。 图1 硬件平台结构框图