嵌入式系统的低功耗问题分析研究
【摘要】本文介绍了新低功耗技术在当代微控制器中的应用，特别是深度睡眠模式操作技术的应用。通过分析减少功耗的因素，讨论如何配置微控制器来实现极低功耗的嵌入式设计。
【关键词】低功耗；省电模式；睡眠模式；深度睡眠模式
1.引言
随着越来越多的电子设备由电池供电，低功耗问题已越来越受到关注。近年来，微控制器制造商也不断在使用新的方式来控制功耗，比如说设计各种各样的电子开关。通过从电子开关芯片的部件上减小功率，可以极大减少能耗的输出。另外在电压监控电路方面也有一些研究，持续使用也可以有效的减少能耗。因此，
对于任何电气系统的设计，功耗都是其重要的考虑因素。尤其是对于位于无数现代设备核心的嵌入式系统和能使这些大部分系统工作的微控制器。嵌入式系统在市场中的拓展应用，应用的领域如便携式电子产品，计量应用和医疗设备，使得功耗成为嵌入式系统设计的最重要的考虑之一。重要的是，一个微控制器不仅消耗尽可能少的功率，并且还有允许最小功耗设计的功能。为了设计出最好的系统，工程师必须了解一个微控制器可能提供的所有的节电功能，功能包括选择最好的设备，以及如何利用利用这些特性来达到最经济的能源利用。
2.影响微处理器的能耗因素
影响微处理器的能耗因素主要有两个：动态功率和静态功率。
动态功率的消耗目前是由数字逻辑开关引起的，这时微控制器处于主动模式。动态功率主要受到时钟速度的影响，另外是受到电压和温度的影响。因此，动态功率的控制在很大程度上是时钟速度的控制。
静态功率的消耗是当主时钟被禁用时，微控制器处于断电模式引起的。静态功率主要是由晶体管漏和电压控制器所使用的电流产生的。对于许多的微控制器来说，还需要必要的逻辑时钟来从静态功耗模式中恢复操作（比如看门狗定时器）。静态功率主要受到电压高低和温度的影响，这两者也是对晶体管漏电流产生的重要因素。因此，尽管大部分的静态功耗取决于设备的设计和制造过程。
通过以上分析电压对动态功率和静态功率都有影响，最低供电电压对微控制器的低功耗来说是非常关键的。可以通过公式1得到平均电流。平均电流可以用来评估低功率性能。平均电流越小，低功率性能越好。
平均电流
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
三种常用的嵌入式操作系统分析与比较 摘要：提要三种常用的嵌入式操作系统——Palm OS、Windows CE、Linux；在此基础上、分析、比较这三种嵌入式操作系统，给出它们之间的异同点及各自的适用范围。 1 嵌入式系统与嵌入式操作系统 1.1 嵌入式系统 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性能有严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统应具有的特点是：高可靠性；在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作；许多嵌入式应用要求实时性，这就要求嵌入式操作系统具有实时处理能力；嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是具体产品同步进行；嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，一般都固化在只读存储器中或闪存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体中。 1.2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统EOS （Embedded Operating System）是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功的EOS产品系列。随着Internet技术的发展、信息家电的普及应用及EOS的微型化和专业化，EOS开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。EOS是相对于一般操作系统而方的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下特点： ①可装卸性。开放性、可伸缩性的体系结构。 ②强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 ③统一的接口。提供各种设备驱动接口。
基于Linux 嵌入式操作系统的研究 李红卫１，潘瑜１，王树亮２，薛小锋１ （１．江苏技术师范学院计算机科学与工程学院，江苏常州２１３００１； ２．江苏技术师范学院图书馆，江苏常州２１３００１） 摘要：从Ｌｉｎｕｘ内核实时性、实时调度策略以及时钟细粒度定时器三个方面，对Ｌｉｎｕｘ嵌入式实时化技术进行了探讨。在内核中插入抢占点或采用双内核系统，改善Ｌｉｎｕｘ的实时性能；通过动态优先级提高实时任务的调度性能；通过增加时钟中断频率或采用实时时钟一次性模式，实现时钟细粒度。 关键词：Ｌｉｎｕｘ；嵌入式系统；实时性；进程调度 中图分类号：ＴＰ３１６．２文献标识码：Ａ ０引言 嵌入式系统是集软硬件于一体可独立工作的计算机系统，它通常是更大系统中一个完整的部分［１］。 在早期的嵌入式系统设计中一般不包含操作系统，但当系统越来越复杂、应用范围越来越广泛时，没有操作系统已成为系统开发的最大障碍；因此，在嵌入式系统的发展中，出现了各种各样的商用嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的出现改变了以往嵌入式软件设计只能针对具体的应用从头做起，使嵌入式系统的开发方法更具科学性；同时，采用嵌入式操作系统提高了系统的开发效率，减少了开发的工作量，增强了软件的可移植性。操作系统成为嵌入式系统的核心，是一个时代的特征，也是嵌入式系统从简单的单片机、微处理器走向愈来愈复杂的嵌入式ＳＯＣ和ＣＰＵ的自然体现［２］。开源Ｌｉｎｕｘ操作系统的出现，给嵌入式操作系统的发展带来生机，将Ｌｉｎｕｘ应用于嵌入式系统开发环境中已十分广泛；但就目前而言，嵌入式Ｌｉｎｕｘ的研究成果与市场的真正需求仍有一段差距，还需要在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统的实时性、进程调度等方面对其进行不断的改进和完善。 １改造Ｌｉｎｕｘ为嵌入式操作系统的分析 实时系统最重要的特征是实时性，实时性是指系统对外部事件的响应和处理要在一个给定的时间内 完成，即计算必须在到达死线（ｄｅａｄｌｉｎｅ）前完成［１］。根据丢失死线的容忍程度可将实时系统分为硬实时系 统和软实时系统：硬实时系统必须保证任务在到达死线之前完成，丢失死线将会引发灾难；软实时系统能保证任务在死线之前完成，但死线的丢失并不会带来致命的错误。 在大多数嵌入式系统应用中往往要求系统具有实时性。虽然Ｌｉｎｕｘ是一个分时操作系统，但其符合ＰＯＳＩＸ１００３．１ｂ关于实时扩展部分的标准，尤其Ｌｉｎｕｘ２．６的推出给嵌入式系统以及实时系统的应用带来生机。将Ｌｉｎｕｘ改造为嵌入式实时操作系统具有（１）Ｌｉｎｕｘ功能强大、（２）开放源码、（３）支持多种硬件平台、（４） 收稿日期：２００６－０２－２１；修回日期：２００６－０４－０３ 基金项目：江苏技术师范学院科研基金资助项目（ＫＹＹ０４００１） 作者简介：李红卫（１９６６－），男，山西阳城人，江苏技术师范学院计算机科学与工程学院副教授。 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＪＩＡＮＧＳＵＴＥＡＣＨＥＲＳＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ江苏技术师范学院学报 Ａｐｒ．，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．２２００６ ２００６年４月第１２卷第２期
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
几种主流嵌入式操作系统分析 1．嵌入式Linux 嵌入式Linux（Embedded Linux）是指对标准Linux经过小型化裁剪处理之后，能够固化 在容量只有几KB或者几MB 字节的存储器芯片或者单片机中，是适合于特定嵌入式应用场合的专用Linux操作系统。在目前已经开发成功的嵌入式系统中，大约有一半使用的是Linux。 这与它自身的优良特性是分不开的。 嵌入式Linux 同Linux 一样，具有低成本、多种硬件平台支持、优异的性能和良好的网络支持等优点。另外，为了更好地适应嵌入式领域的开发，嵌入式Linux 还在Linux 基础上 做了部分改进，如下所示。 ? 改善的内核结构 Linux 内核采用的是整体式结构（Monolithic），整个内核是一个单独的、非常大的程序，这____________样虽然能够使系统的各个部分直接沟通，提高系统响应速度，但与嵌入式系统存储容量小、 资源有限的特点不相符合。因此，在嵌入式系统经常采用的是另一种称为微内核（Microkernel） 的体系结构，即内核本身只提供一些最基本的操作系统功能，如任务调度、内存管理、中断 处理等，而类似于文件系统和网络协议等附加功能则运行在用户空间中，并且可以根据实际 需要进行取舍。这样就大大减小了内核的体积，便于维护和移植。 ? 提高的系统实时性 由于现有的Linux 是一个通用的操作系统，虽然它也采用了许多技术来加快系统的运行 和响应速度，但从本质上来说并不是一个嵌入式实时操作系统。因此，利用Linux 作为底层 操作系统，在其上进行实时化改造，从而构建出一个具有实时处理能力的嵌入式系统，如RT-Linux 已经成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控和电影特技图像处理等 各种领域。 嵌入式Linux 同Linux 一样，也有众多的版本，其中不同的版本分别针对不同的需要在内核等方面加入了特定的机制。嵌入式Linux 的主要版本如表4.1所示。 表4.1 嵌入式Linux主要版本 版本简单介绍 μCLinux 开放源码的嵌入式Linux 的典范之作。它主要是针对目标处理器没有存储管理单元 MMU，其运行稳定，具有良好的移植性和优秀的网络功能，对各种文件系统有完备 的支持，并提供标准丰富的API RT-Linux 由美国墨西哥理工学院开发的嵌入式Linux硬实时操作系统。它已有广泛的应用 Embedix 根据嵌入式应用系统的特点重新设计的Linux发行版本。它提供了超过25种的Linux 《嵌入式Linux应用程序开发详解》——第4章、嵌入式系统基础 系统服务，包括Web服务器等。此外还推出了Embedix的开发调试工具包、基于图 形界____________面的浏览器等。可以说，Embedix是一种完整的嵌入式Linux解决方案
嵌入式系统的低功耗问题分析研究 【摘要】本文介绍了新低功耗技术在当代微控制器中的应用，特别是深度睡眠模式操作技术的应用。通过分析减少功耗的因素，讨论如何配置微控制器来实现极低功耗的嵌入式设计。 【关键词】低功耗；省电模式；睡眠模式；深度睡眠模式 1.引言 随着越来越多的电子设备由电池供电，低功耗问题已越来越受到关注。近年来，微控制器制造商也不断在使用新的方式来控制功耗，比如说设计各种各样的电子开关。通过从电子开关芯片的部件上减小功率，可以极大减少能耗的输出。另外在电压监控电路方面也有一些研究，持续使用也可以有效的减少能耗。因此， 对于任何电气系统的设计，功耗都是其重要的考虑因素。尤其是对于位于无数现代设备核心的嵌入式系统和能使这些大部分系统工作的微控制器。嵌入式系统在市场中的拓展应用，应用的领域如便携式电子产品，计量应用和医疗设备，使得功耗成为嵌入式系统设计的最重要的考虑之一。重要的是，一个微控制器不仅消耗尽可能少的功率，并且还有允许最小功耗设计的功能。为了设计出最好的系统，工程师必须了解一个微控制器可能提供的所有的节电功能，功能包括选择最好的设备，以及如何利用利用这些特性来达到最经济的能源利用。 2.影响微处理器的能耗因素 影响微处理器的能耗因素主要有两个：动态功率和静态功率。 动态功率的消耗目前是由数字逻辑开关引起的，这时微控制器处于主动模式。动态功率主要受到时钟速度的影响，另外是受到电压和温度的影响。因此，动态功率的控制在很大程度上是时钟速度的控制。 静态功率的消耗是当主时钟被禁用时，微控制器处于断电模式引起的。静态功率主要是由晶体管漏和电压控制器所使用的电流产生的。对于许多的微控制器来说，还需要必要的逻辑时钟来从静态功耗模式中恢复操作（比如看门狗定时器）。静态功率主要受到电压高低和温度的影响，这两者也是对晶体管漏电流产生的重要因素。因此，尽管大部分的静态功耗取决于设备的设计和制造过程。 通过以上分析电压对动态功率和静态功率都有影响，最低供电电压对微控制器的低功耗来说是非常关键的。可以通过公式1得到平均电流。平均电流可以用来评估低功率性能。平均电流越小，低功率性能越好。 平均电流
嵌入式系统的应用研究 发表时间：2017-08-08T18:10:33.197Z 来源：《电力设备》2017年第10期作者：郭浩田 [导读] 摘要：随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。 （北京交通大学海滨学院河北黄骅 061100） 摘要：随着社会的日益信息化，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们来说，需要的已经不再仅仅是哪种桌面计算机，任何一个人都可能拥有从小到大的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到MP3、PDA、信息家电等消费数码，大到网络通信、车载电子、工业控制、国防武器等设备。目前，各种新型的嵌入式系统设备的应用领域和数量已经远远超过了通用计算机，如果说我们生活在一个充满嵌入式系统的世界中，是毫不夸张的。 关键词：嵌入式；设备；软件硬件 嵌入式系统（Embedded System）是当今最热门的技术之一。 1嵌入式系统简介 1.1嵌入式系统的定义和特点 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应应用系统对功能、成本、体积、功耗和可靠性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式实时操作系统（RTOS）以及特定的应用程序等四部分组成，是集软/硬件于一体的可独立工作的“器件”。 嵌入式系统与通用型的相比其主要特点是： 1.嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 2.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 3.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的系统程序（包括操作系统）和应用程序是浑然一体的，这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映像文件，然后被固化在系统存储空间中[1]。 4.嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的大部分程序功能进行修改的，所以嵌入式系统的开发系统和实际运行系统并不是同一个，需要交叉编译系统和适当的调试系统； 5.高可靠性和高实时性。即在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作；同时对于特殊的信号、消息、中断有极高的响应。 1.2嵌入式系统的发展和趋势 虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但是这个概念并非最近才出现。它是随着微电子技术和计算机技术的发展，从而越来越来引人注目。从20世纪70年代单片机的出现到今天各种各样的嵌入式微处理器、微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有近30年的发展历史。 作为一个越来越复杂的系统，往往都是在硬件和软件双螺旋式交替发展下逐渐趋于成熟和稳定，嵌入式系统也不例外。嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。20世纪70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信设备以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更多性能，更容易使用，更便宜。这些设备已经初步具备了嵌入式的特点，但是这只是8位芯片，内部不过几万到十几万个门；执行单线程的程序，程序不过几千行；还不是“系统”。 随着深亚微米技术的不断进步，集成度大幅度提高，现在芯片工艺已经从0.5um变成90nm，将整个嵌入式系统集成在单一芯片上已成为现实，即嵌入式系统，也就是通常所说的SOC。除了以前的微处理器内核以外，还在内部集成了必要的ROM/RAM/FLASH、系统总线、定时/计数器、串口、脉宽调制输出、A/D、D/A、I/O等各种必要功能和外设，更有的特定应用芯片还有视频编解码、以太网控制、DSP等模块。现在主流的嵌入式芯片已经从8位的51、AVR、PIC系列拓展到32位的ARM、MIPS、POWERPC系列。 2嵌入式处理器概述 2.1嵌入式处理器的分类 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1500多种，流行体系结构有30几个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到256MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，常用封装从8个引脚到292个引脚。 过去国际上公认的通用嵌入式处理器有三大类：MCU、DSP和MPU。TI公司曾把处理器比作汽车，有个生动的比喻：MPU是轿车，追求的是经济性与速度的折中；DSP是跑车，追求的是速度；MCU是满足特殊用途的车。现在嵌入式处理器已经发展到SOC阶段[2]。 （1）嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU） 嵌入式微控制器又称单片机，从20世纪70年代就出现到今天。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括51、AVR、PIC、MC68K等。目前MCU占嵌入式系统约60％的市场份额。 （2）嵌入式DSP处理器（DigitalSignalProcessor，DSP） DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP 处理器。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带
1.3.1 嵌入式操作系统的种类、特点与发展 1．嵌入式操作系统的种类 一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类： 非实时操作系统：面向消费电子产品等领域，这类产品包括个人数字助理（PDA）、移动电话、机顶盒、电子书等。 实时操作系统RTOS（Real-Time Embedded Operating System）：面向控制、通信等领域，如windriver公司的vxworks、isi的psos、qnx系统软件公司的qnx等。 （1）非实时操作系统 早期的嵌入式系统中没有操作系统的概念，程序员编写嵌入式程序通常直接面对裸机及裸设备。在这种情况下，通常把嵌入式程序分成两部分，即前台程序和后台程序。前台程序通过中断来处理事件，其结构一般为无限循环；后台程序则掌管整个嵌入式系统软、硬件资源的分配、管理以及任务的调度，是一个系统管理调度程序。这就是通常所说的前后台系统。一般情况下，后台程序也叫任务级程序，前台程序也叫事件处理级程序。在程序运行时，后台程序检查每个任务是否具备运行条件，通过一定的调度算法来完成相应的操作。对于实时性要求特别严格的操作通常由中断来完成，仅在中断服务程序中标记事件的发生，不再做任何工作就退出中断，经过后台程序的调度，转由前台程序完成事件的处理，这样就不会造成在中断服务程序中处理费时的事件而影响后续和其它中断。 实际上，前后台系统的实时性比预计的要差。这是因为前后台系统认为所有的任务具有相同的优先级别，即是平等的，而且任务的执行又是通过FIFO队列排队，因而对那些实时性要求高的任务不可能立刻得到处理。另外，由于前台程序是一个无限循环的结构，一旦在这个循环体中正在处理的任务崩溃，使得整个任务队列中的其它任务得不到机会被处理，从而造成整个系统的崩溃。由于这类系统结构简单，几乎不需要RAM/ROM的额外开销，因而在简单的嵌入式应用被广泛使用。 （2）实时操作系统 所谓实时性，就是在确定的时间范围内响应某个事件的特性。而实时系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。其操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操作进行的时间有关。“在确定的时间内”是该定义的核心。也就是说，实时系统是对响应时间有严格要求的。 实时系统对逻辑和时序的要求非常严格，如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果。实时系统有两种类型：软实时系统和硬实时系统。软实时系统仅要求事件响应是实时的，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成；而在硬实时系统中，不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理。通常，大多数实时系统是两者的结合。实时应用软件的设计一般比非实时应用软件的设计困难。实时系统的技术关键是如何保证系统的实时性。实时操作系统可分为可抢占型和不可抢占型两类。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。 从某种意义上说，没有操作系统的计算机（裸机）是没有用的。在嵌入式应用中，只有把CPU嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。 操作系统的实时性在某些领域是至关重要的，比如工业控制、航空航天等领域。想像飞机正在空中飞行，如果嵌入式系统不能及时响应飞行员的控制指令，那么极有可能导致空难事故。有些嵌入式系统应用并不需要绝对的实时性，比如PDA播放音乐，个别音频数据丢失并不影响效果。这可以使用软实时的概念来衡量。
嵌入式系统发展与应用 引言 不论是日常生活中经常使用的家庭自动化产品、家用电器、手提电话、自动柜员机（ATM），还是各行各业的办公设备、现代化医疗设备、航空电子、计算机网络设备、用于工业自动化和监测的可编程逻辑控制器（PLC），甚至是娱乐设备的固定游戏机和便携式游戏机等都属于嵌入式系统。嵌入式系统始于微型机时代的嵌入式应用，通过将微型机嵌入到一个对象体系中，实现对象系统的智能化控制。随着科技的不断发展，在单片机时代，嵌入式系统以器件形态迅速进入到传统电子技术领域中，以电子技术应用工程师为主体，实现传统电子系统的智能化。而后，随着后PC时代的到来，网络、通信技术得以发展；同时，嵌入式系统软、硬件技术有了很大的提升，形成了基于嵌入式系统软、硬件平台，以网络、通信为主的非嵌入式底层应用的计算机应用模式。 1嵌入式系统的概念与发展 1.1 嵌入式系统的概念 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4个部分组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 1.2 嵌入式系统发展 纵观嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下四个阶段： （1）无操作系统阶段 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，大多以可编程控制器的形式出现，具有监测、伺服、设备指示等功能通常应用于各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中，一般没有操作系统的支持，只能通过汇编语言对系统进行直接控制，运行结束后再清除内存。这些装置虽然已经初步具备了嵌入式的应用特点，但仅仅只是使用8位的CPU芯片来执行一些单线程的程序，因此严格地说还谈不上系统的概念。这一阶段嵌入式系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，因而曾经在工业控制领域中得到了非常广泛的应用，但却无法满足现今对执行效率、存储容量都有较高要求的信息家电等场合的需要。 （2）简单操作系统阶段 20世纪80年代，随着微电子工艺水平的提高，Ic制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I／O接口、串行接口以及RAM、ROM等部件统统集成到一片VLSI中，制造出面向I ／0设计的微控制器，并一举成为嵌入式系统领域中异军突起的新秀。与此同时，嵌入式系统的程序员也开始基于一些简单的操作系统开发嵌入式应用软件，大大缩短了开发周期、提高了开发效率。 （3）实时操作系统阶段 20世纪9O年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式系统进一步飞速发展，而面向实时信号处理算法的DSP产品则向着高速度、高精度、低功耗的方向发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，逐渐形成了实时多任务操作系统(RTOS)，并开始成为嵌入式系统的主流。 这一阶段嵌入式系统的主要特点是：操作系统的实时性得到了很大改善，已经能够运行在各种不同类型的微处理器上，具有高度的模块化和扩展性。此时的嵌入式操作系统已经具备了
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。
嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。嵌入式系统几乎包括了生活中的所有电器设备，如掌上PDA、移动计算设备、电视机顶盒、手机上网、数字电视、多媒体、汽车、微波炉、数字相机、家庭自动化系统、电梯、空调、安全系统、自动售货机、蜂窝式电话、消费电子设备、工业自动化仪表与医疗仪器等。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存(Flash Memory)作为存储介质。软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 一、嵌入式系统概述 嵌入式系统是指以应用为目的,嵌入于各种设备及应用产品内部的计算机系统。简单地说就是系统的应用软件与硬件一体化。这种系统具有软件代码小,高度智能化,响应速度快等特点,特别适合于要求实时的和多任务的体系。 嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。一般情况下，嵌入式操作系统可以分为两类，一类是面向控制、通信等领域的实时操作系统，如WindRiver公司的VxWorks、ISI的pSOS、QNX 系统软件公司的QNX、ATI的Nucleus等；另一类是面向消费电子产品的非实时操作系统，这类产品包括个人数字助理(PDA)、移动电话、机顶盒、电子书、WebPhone等。 嵌入式系统的核心构件以及其历史和未来的发展趋势。嵌入式系统是一个软硬件结合的系统，微处理器和嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心，构成了嵌入式系统发展和应用的主线。从过去的8位微控制器发展到现在的32位微控制器，从简单的无限循环结构发展到现在的多任务多线程的实时操作系统阶段，嵌入式领域已经发生了深刻的变革。这些变革是出于日益复杂的应用需要，这也预示着嵌入式系统将面临更多复杂的应用需要，也预示着嵌入式领域更加美好的未来。 二、嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统(包括硬、软件系统)极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式实时系统中采用的操作系统称为嵌入式实时操作系统,它既是嵌入式操作系统,又是实时操作系统。作为一种嵌入式操作系统,它具有嵌入式软件共有的可裁剪、低资源、占用、低功耗等特点;而作为一种实时操作系统,它与通用操作系统(如Windows、Unix、Linux等)相比有很大的差别,下面我们通过比较这两种操作系统之间的差距来描述实时操作系统的主要特点。 嵌入式操作系统是嵌入式技术软件的核心，嵌入式系统之上各种丰富的应用无不需要依赖一个强大的操作系统的支持。嵌入式操作系统与普通的通用操作系统间最关键的区别在于其对实时性的要求。由于嵌入式系统很多将要用于对时间响应要求非常苛刻的系统中，所以操作系统各个操作必须要有清晰的时间限制，实时性在嵌入式操作系统设计的各个功能中都必须得以充分的重视。嵌入式操作系统领域现在处于百花齐放的阶段，由于嵌入式系统本身要求多样化的特点，而且有很多东西还没有成熟和规范，故各种嵌入式操作系统有着各自侧重的应用领域，各种新的应用层出不穷。 三、嵌入式操作系统μC/OS-II体系结构分析 在对μC/OS-II性能改进之前，必须了解它的内核和存在的问题，这样才能有效的对其进行修改，由于嵌入式操作系统μC/OS-II本身也是一种实时操作系统，因此它的很多设计原理都是遵循实时操作系统理论。 μC/OS-II的内核可以分为:与内核加载运行相关的模块、任务管理模块、时间管理模块、事件控制块模块和内存管理模块。 任务状态分析 μC/OS-II控制以下的任务状态转换图，如图所示。 任务的状态转化 在任一给定的时刻，任务的状态定是处于以下几种状态之一。睡眠态，任务驻留在程序空间之中，还没有一交给μC/OS-II管理。把任务交给μC/OS-II是通过调用下述两个函数之一:OSTaskCreate（）或OS-TaskCreateExtO。一个任务可以通过调用OSTaskDelp返回到睡眠态，或通过调用该函数让另一个任务进入睡眠态。就绪态，任务一旦建立，这个任务就进入了就绪态，准备运行。任务的建立可以是在多任务运行开始之前，也可以是动态地被一个运行着的任务建立。如果一个任务是被另一个任务建立的，而这个任务的优先级高于建立它的那个任务，则这个刚刚建立的任务将立即得到CPU的控制权。运行态，调用OSStart（）可以启动多任务。OSStart（）函数运行进入就绪态的优先级最高的任务。任何时候只能有一个任务处于运行态。正在运行的任务可以通过调用OSTimeDly（）或OSTimeDIyHMSM（）两个函数之一将自身延迟一段时间，从而这个任务进入等待状态，这样下一个优先级最高的、并进入了就绪态的任务立刻被赋予了CPU的控制权。当等待的时间过去之后，系统服务函数OSTimeTick（）使被延迟的任务进入就绪态。正在运行的任务期待某一事件的发生时也要等待，通过调用OSSemPend（）或OSM-boxPend（），或OSQPend（）3个函数之一。调用后，任务进入了等待状态。当任务因等待事件被挂起，下一个优先级最高的任务立即得到了CPU 的控制权。当事件发生了，被挂起的任务进入就绪态。事件发生的消息可能来自另一个任务，也可能来自中断服务子程序。正在运行的任务是可以被中断的，CPU就进入了中断服务态(ISR)。响应中断时，正在执行的任务被挂起，ISR控制了CPU的使用权。 嵌入式操作系统μC/OS-II研究 南华大学三力高科技开发公司贺艳松 ［摘要］随着网络技术和计算机技术的高速发展，嵌入式产业迅速崛起，嵌入式系统已经越来越多地应用在各个领域之中。嵌入式操作系统作为嵌入式系统的重要组成部分，发挥着越来越重要的作用。本文主要讨论为满足嵌入式应用领域的需要，uC/OS-II操作系统的实时性研究。 ［关键词］嵌入式操作系统μC/OS-II实时性调度: 优先级反转 （下转第225页）222 ——
华中科技大学 硕士学位论文 嵌入式系统低功耗设计研究与实现 姓名：梁晶 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：阳富民 20040429
摘要 嵌入式系统低功耗设计的目标是在满足用户对性能需求的前提下，尽可能降低系统的能耗，延长设备的待机时间。随着市场对可移动式嵌入式设备在体积和性能方面要求的不断提升，嵌入式设备小体积、高性能与有限的电池能量之间的矛盾嗣益突出，嵌入式系统低功耗设计是解决这一矛盾的有效手段。它包括硬件低功耗设计和软件低功耗设计两个方砸。 硬件低功耗设计为整个系统的低功耗运行提供硬件支持。电路级的硬件低功耗设计主要围绕处理器的低功耗特性和外围芯片的特点，设计处理器的供电电路和外围芯片的电源控制电路：处理器供电电路允许改变处理器内核的输入电压，使处理器内核的工作电压随着不同的处理器时钟频率而改变，以减小处理器的功耗；外围芯片的电源控制电路使处理器能够控制外围芯片电源的开启和关闭，从而能够减小外围芯片的功耗。 软件低功耗设计的主要目标是在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现一套可行的低功耗管理策略，并且采用的技术和算法并不改变Ｌｉｎｕｘ现有的调度机制。主要工作包括：围绕处理器内核可动态改变时钟频率和工作电压的特点，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现可变电压技术；针对处理器提供的多种工作模式，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ系统中实现动态功耗管理，控制处理器在适当的时候睡眠或唤醒：针对外部设备的特点，在嵌入式Ｌｉｎｕｘ中实现外部设备的电源管理机制，包括外部设备的状态监控、睡眠和唤醒操作以及相应的管理策略。 关键字：嵌入式系统，低功耗设计，电源管理，可变电压技术，动态功耗管理 ｌ
第一章绪论 1．嵌入式系统的定义、特点和分类 2．嵌入式操作系统 3．嵌入式系统的选型 4．嵌入式系统的发展趋势 5．嵌入式系统的关键技术 6．嵌入式系统的应用 思考与练习 1．什么是嵌入式系统？嵌入式系统的特点是什么？ 2．请说出嵌入式系统与其它商用计算机系统的区别。 3．嵌入式系统的关键技术有哪些？ 4．请说明嵌入式系统技术发展及开发应用的趋势。 5．你知道嵌入式系统在我们日常生活中哪些设备中应用?说明其采用的处理器是什么？采用的哪一个嵌入式操作系统？ 6．开发嵌入式系统的计算机语言主要有哪几种？分别用在什么场合？7. 嵌入式系统和专用集成电路的关系是什么？ 第二章嵌入式系统设计方法 1. 需求分析与系统分析法 2．软硬件协同设计方法 3．嵌入式硬件开发方法 4．嵌入式软件开发方法 5．构件式开发方法 6．软件调试与软件测试方法 思考与练习 1．请说出嵌入式系统设计的主要方法及设计流程。在嵌入式系统开发的总体设计中，需要进行哪几方面的工作？ 2．嵌入式硬件调试的主要方法及技术手段有哪些？ 3．什么是构件式开发方法？说明该方法对嵌入式系统开发具有什么意义，并举例说明。4．需求分析阶段分为哪几个步骤？每个步骤完成什么工作？ 5．在进行系统设计时，概要设计和详细设计的工作内容有什么不同？ 6．在嵌入式系统实现阶段，需要选择开发平台，通常开发平台的选择包括哪些内容？7．在当今IT 时代，为了使产品尽快进入市场，就产品开发阶段，你认为有哪些方法可以加快产品的开发速度? 8．什么是“黑盒”测试？什么是“白盒”测试？什么是“灰盒”测试？ 9．嵌入式系统开发中，使用软件组件技术有什么好处？ 10．什么是知识产权核(Intellectual Property Core,简称IP Core)？指出“软知识产权核(Soft IP Core)”、“硬知识产权核（Hard IP Core)”、“固知识产权核（Firm IP Core)”的意义和差别。 11．根据嵌入式软件开发的不同阶段，嵌入式开发工具有哪些种类？ 12．从底层硬件到上层应用，嵌入式软件的开发可以分为哪几种？ 13．什么是交叉开发环境？ 14．什么是OCD 调试方法？指出OCD 的主要形式JTAG 和BDM 的特点和区别？ 15．嵌入式软件的调试运行环境和固化运行环境主要区别是什么？