蓝牙连接可实现超低功耗 ULP(超低功率)蓝牙以往被称为Wibree技术，并于今年6月纳入蓝牙技术联盟(SIG)。这项低功率无线技术可用于小型设备之间的简单数据传输，仅需一枚钮扣大小的电池供电就可运行10年之久。这意味着，ULP能提供一种全新的蓝牙连接特性，可以满足各种细分产品的通信需求，如手表、训练鞋、电视遥控器、医疗传感器等。 ULP蓝牙采用具有搜索次分级功能的搜索模式，标准蓝牙也是采用这种模式来实现低功率运行。其区别在于，ULP 蓝牙从连接开始就采用这种模式。这就是说，每个ULP蓝牙连接均自动处于次分级的搜索模式，因而能自动以极低功率运行。 在成本方面，ULP蓝牙设备可采用现有的标准CMOS加工技术制造。由于通信时间要求不如标准蓝牙那样紧迫，因此可以采用较低成本的晶体制造，这使得ULP蓝牙在外部材料的成本费用方面就要比标准蓝牙低。ULP蓝牙的设计也十分可靠，它采用跳频技术，确保能从单频闭塞系统中恢复，不会受到其他跳频器干扰。 蓝牙自诞生以来就具备低功率的特点。而超低功率形式的蓝牙经过优化，其功率将更低。考虑到蓝牙设备大部分时
候并不是连续地彼此通信，而只是闲置一旁，等待接受指令，因此，对于一个有99%的时间被闲置的设备来说，优化其闲置状态下的功耗非常必要。ULP蓝牙的功耗优化主要是通过采用比传统蓝牙更少的频率来实现的，占用时间随之减少，接通时的功耗也更低。 标准蓝牙采用32种频率进行连接，而ULP蓝牙仅采用3种频率。因此，标准蓝牙的负载率是1%，而ULP蓝牙的负 载率仅为0.1%。ULP蓝牙设备还以通告的方式主动与周围的其他设备进行通信，然后迅速接收反馈，看是否有其他设备可以连接，如果没有，ULP蓝牙设备将自行长时间关闭，直至发出下一次通告。 既然ULP蓝牙的功率控制得这么好，为什么还要采用标准蓝牙呢？事实上，在优化ULP蓝牙以实现极低功耗的同时，我们也不得不做出一些牺牲。对于ULP蓝牙来说，这些损失包括立体声音频应用所需的较高数据传输速率和极低的延时。不仅如此，ULP蓝牙也只能通告自己的数据，例如，传 感器只需报告温度，而没有必要建立连接或进行SDP记录，而扫描设备只是发现温度传感器，得到的也仅仅是温度数据。 比较而言，连接移动耳机和电话是标准蓝牙的一种更为典型的应用。与ULP蓝牙相比，这种应用要求较低延时和较高带宽的连接。由此可见，ULP蓝牙的设计目的在于迅速高效地传输少量数据，而标准蓝牙的设计目的是传输大量数据。
关于对 《SoC设计方法与实现》的一点认识 '
| 目录 摘要 (3) 一 SoC概述 (3) 二SoC设计现状 (4) 1 芯核的设计流程 (7) 2 软硬件协同设计的流程 (8) 3 Soc的系统级设计流程 (8) 三 SoC发展的现状 (10) （ 1 SoC在中国发展的现状 (10) 2 国外ＳＯＣ的发展现状 (11) 四SOC的未来发展趋势 (12) ;
\ 摘要 通过将近四周的学习,我已经对SoC有了一些基本的认识。在任课教师的指导下，我完成了此篇论文。本文主要从什么是SoC ,SoC 有什么用途，SoC的设计，SOC发展的现状和未来趋势这五个方面来简单论述的，在论述的过程中查阅了一部分文献资料，并且兼顾含有了集成电路的相关知识。 关键词 SoC 用途发展趋势 一 SoC概述 \ 随着集成电路1技术进入新的阶段，市场开始转向追求体积更小、成本更低、功耗更少的产品，因此出现了将多个甚至整个系统集成在一个芯片2上的产品––系统芯片（system on a chip,SoC）。系统芯片将原来由多个芯片完成的功能，集中到单个芯片中完成。更具体地说，它在单一硅芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，或者说在单一硅芯片上集成了数字电路、模拟电路、信号采集、 1 1952年5月，英国皇家研究所的达默就在美国工程师协会举办的座谈会第一次提到了集成电路的设想。他说：“可以想象，随着晶体管和半导体工业的发展，电子设备可以在一块固体块上实现，而不需要外部的连接线。这块电路将有绝缘层、导体和具有整流放大作用的半导体等材料组成”，这就是最早的集成电路的概念。 2通常所说的“芯片”是指集成电路，它是微电子产业的主要产品。
RW_BLE_CORE记录 传输信道 BLE的传输信道在2.4G频段有40个channel。包括2种物理信道：广播信道和数据信道。数据帧中设置Access Address用于标识该信道，防止信道碰撞。Channel MAP如下： 数据帧通信 蓝牙帧结构如下： Preamble：根据Access Address而定，假如AA的LSB（最右bit）bit为1，则前导便是10101010b，反之则为01010101b。 Access Address：广播帧的AA为：0x8E89BED6。其他情况可以是一个32bit的随机数。AA需满足以下条件 ·不超过连续6个1或者0。 ·与广播帧的AA不同bit超过1个。 ·不能4byte相同。 ·0 1跳变不能超过24次 ·MSB 6bit 0 1跳变超过2次。 以下逐个介绍PDU。
一、Advertising Channel PDU 蓝牙广播帧帧结构 其中Header的帧格式如下： 其中， a、广播帧类型（PDU Type）分为以下几类： ?ADV_IND: connectable undirected advertising event ?ADV_DIRECT_IND: connectable directed advertising event ?ADV_NONCONN_IND: non-connectable undirected advertising event ?ADV_SCAN_IND: scannable undirected advertising event b、Length：3~37bytes 广播帧分为很多种，其区别就是payload所代表的意义不同，以下分别对几种广播帧作分别阐释： 1、ADV_IND ADV_IND的payload格式如下： 在广播帧帧头中的TxAdd位是广播地址的标示位： TxAdd==0：AdvA地址为公用地址； TxAdd==1：AdvA地址为随机地址。 AdvData则是广播HOST的广播数据。 2、ADV_DIRECT_IND 这种帧用于直接接入的广播事件。 ADV_DIRECT_IND的payload帧格式如下：
集成电路的功耗优化和低功耗设计技术 摘要：现阶段各行业的发展离不开对能源的消耗，随着目前节能技术要求的不 断提升，降低功耗成为行业发展的重要工作之一。本文围绕集成电路的功耗优化 以及低功耗设计技术展开分析，针对现阶段常见的低功耗设计方式以及技术进行 探究，为集成电路功耗优化提供理论指导。 关键词：集成电路；功耗优化；低功耗 目前现代节能技术要求不断提升，针对设备的功耗控制成为当前发展的主要问题之一。 针对数字系统的功耗而言，决定了系统的使用性能能否得到提升。一般情况下，数字电路设 计方面，功耗的降低一直都是优先考虑的问题，并且通过对整个结构进行分段处理，同时进 行优化，最后总结出较为科学的设计方案，采用多种方式降低功耗，能够很大程度上提升设 备的使用性能。下面围绕数字电路的功耗优化以及低功耗设计展开分析。 一、设计与优化技术 集成电路的功耗优化和低功耗设计是相对系统的内容，一定要在设计的每个环节当中使 用科学且合理的技术手段，权衡并且综合考虑多方面的设计策略，才能够有效降低功耗并且 确保集成电路系统性能。因为集成电路系统的规模相对较大且具有一定的特殊性，想要完全 依靠人工或者手动的方式来达到这些目的并不现实且缺少可行性，一定要开发与之对应的电 路综合技术。 1 工艺级功耗优化 将工艺级功耗应用到设计当中，通常情况下采取以下两种方式进行功耗的降低： 首先，根据比例调整技术。进行低功耗设计过程中，为了能够实现功耗的有效降低会利 用工艺技术进行改善。在设计过程中，使用较为先进的工艺技术，能够让设备的电压消耗有 效缩减。现阶段电子技术水平不断提升，系统的集成度也随之提高，目前采用的零件的规格 也逐渐缩小，零件的电容也实现了良好的控制，进而能够很大程度上降低功耗。借助比例技术，除了能够将可见晶体管的比例进行调整，而且也能够缩小互连线的比例[1]。目前在晶体 管的比例缩小方面，能够依靠缩小零件的部分重要参数，进而在保持性能不被影响的情况下，通过较小的沟道长度，确保其他的参数不受影响的栅压缩方式，进而将零件的体积进行缩减，同时也缩短了延长的用时，使功耗能够有效降低。针对互连线缩小的方式主要将互连线的整 个结构进行调整，工作人员在进行尺寸缩减的过程中，会面临多方面的难题，比如系统噪音 无法控制，或者降低了电路使用的可靠性等等。 其次，采用封装技术进行降低。采用封装技术，能够让芯片与外部环境进行有效的隔离，进而避免了外部环境给电气设备造成一定的破坏与影响，在封装阶段，芯片的功耗会受到较 大的影响，因此需要使用更加有效的封装手段，才能够提升芯片的散热性，进而有效降低功 耗[2]。在多芯片的情况下，因为芯片与其他芯片之间的接口位置会产生大量的功耗，因此针 对多芯片采取封装技术，首先降低I/0接口的所有功能，接着解决电路延迟的问题，才能够 实现对集成电路的优化。 2 电路功耗优化 一般情况下，对电路级的功耗会选择动态的逻辑设计。在集成电路当中，往往会包含多 种电路逻辑结构，比如动态、静态等等，逻辑结构从本质上而言具有一定的差异性，这种差 异性也使得逻辑结构有着不同作用的功能。动态逻辑结构有着较为典型的特性[3]。静态的逻 辑结构当中所有的输入都会对接单独的MOS，因此逻辑结构功耗更大，动态的逻辑结构当中 电路通常具备N、M两个沟道，动态电路会利用时钟信号采取有效的控制，进而能够实现预
Nordic超低功耗蓝牙芯片nRF8001 11月18日，2010年中国无线世界暨物联网大会在京正式举行，C114中国通信网为本届会议的独家战略合作媒体，进行现场全程直播报道。 主持人：下面有请来自Nordic Semiconductor ASA的Sebastien Mackaie-Blanchi先生做演讲，题目是《纽扣电池续航的蓝牙技术》。 Sebastien Mackaie-Blanchi：今天早晨大家听到了关于蓝牙技术的演进路线，下面我给大家更多地介绍一下蓝牙技术低功耗的特点，特别是在纽扣上面低功耗的技术。 今天我给大家介绍一下纽扣电池为什么需要蓝牙技术呢？在设计这样的设备的时候要有什么考虑呢？ 首先我们可以看到纽扣电池已经存在很多年了，比如像你的手表上也会用到纽扣电池，有一些体育运动设备，比如说测量仪表也会使用这个纽扣技术，现在蓝牙技术，特别是4.0的规范给我们提供了很多可能性。无论是什么样的规范我们都在看，而且蓝牙技术也是其中一个选择。蓝牙的低功耗技术将会更好地支持我们的纽扣电池，比如说一些玩具、体育用品以及其他的东西，可能使用的不仅仅是蓝牙技术。我们来看一看到底这个纽扣电池是什么样的呢？它有不同的类型，它们有时候容量很大，有时候容量很小。 请看一下我们的CR1216，它是25毫安，它的容量非常好，这是表标准使用的纽扣电池。大家可以看到，它的平均电流对寿命有着非常大的影响。其中一个非常重要的特征请大家记住，基于25毫安，如果使用这样的功耗的话，每天24小时运行，每周7天来运行，它可以用一年的时间，我们要保证它的平均电流要尽量地低，如果要使用一年的时间，你要保证它的电流要低于25毫安，而且它的峰值电流也是非常重要的，有的时候峰值电流可能是比较高的，如果峰值电流比较高的话，会影响电池的容量。如果它的峰值电流越高的话，它的电池寿命越短。大家在使用纽扣电池的时候，如果它的峰值电流低的话，也意味着它的功耗比较低。在温度不同的情况下使用，它的寿命也是不一样的。所以说在设计纽扣电池的时候我们要考虑两个重要的指标，一个是平均电流，一个是峰值电流。 我们有一个中心的设备，大家可以看到在中间，还有其他的一些外设设备，关键的是可以看到中间的设备它将会保证和传感器的连接，将这个设备连接的时候，中央的设备将会是连接的核心，因为中心的设备将会影响连接的参数，它会决定比如说和传感器多长时间交换一下数据，要和交换器交换多少数据。所以不仅要看传感器的问题，也取决于你的设备，它是不是使用屏幕或者是其他的功能，它的功耗肯定会有所不同。关键的要素在于，如果来看手机的话，它有应用在运行，它就会决定你的连接参数，它会确定出来多快的时间会影响你的功耗。蓝牙技术应该尽量少地使用电能，它们也可以增加包交换的时延，它并不是针对大流量的应用设计的。所以说纽扣电池并不是要以这样的应用，我们只是针对一些非常简单的应用，尽量频率要少的交换数据，比如一些远程的控制或者是其他的一些非常简单的设备。像耳机之类的，这些可能只能使用可充电电池而不能使用纽扣电池。如果从一个设备到另外一个设
SOC的软硬件协同设计方法和技术 摘要： 随着嵌入式系统与微电子技术的飞速发展，硬件的集成度越来越高，这使得将CPU、存储器和I/O设备集成到一个硅片上成为可能，SOC应运而生，并以其集成度高、可靠性好、产品问世周期短等特点逐步成为当前嵌入式系统设计技术的主流。传统的嵌入式系统设计开发方法无法满足Soc设计的特殊要求，这给系统设计人员带来了巨大的挑战和机遇，因此针对Soc的设计方法学己经成为当前研究的热点课题。 论文首先分析了嵌入式系统设计的发展趋势，论述了传统设计开发方法和工具的局限性，针对Soc设计技术的特点探究了Soc软硬件协同设计方法的流程，并讨论了目前软硬件协同设计的现状。 关键词: 软硬件协同设计，可重用设计，SOC 背景： 计算机从1946年诞生以来，经历了一个快速发展的过程，现在的计算机没有变成科幻片电影中那样贪婪、庞大的怪物，而是变得小巧玲珑、无处不在，它们藏身在任何地方，又消失在所有地方，功能强大，却又无影无踪，这就是嵌入式系统。嵌入式系统是以应用为中心、计算机技术为基础、软件硬件可剪裁、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。嵌入式系统是将先进的计算机技术、微电子技术和现代电子系统技术与各个行业的具体应用相结合的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。嵌入式系纫‘泛应用于国民经济和国防建设的各个领域，发展非常迅速，调查数据表明，嵌入式系统的增长为每年18%，大约是整个信息技术产业平均增长的两倍[1]，目前世界上大约有2亿台通用计算机,而嵌入式处理器大约60亿个，嵌入式系统产业是二十一世纪信息产业的重要增长点。 随着集成电路制造工艺的飞速发展，嵌入式系统硬件的集成度越来越高，这使得将嵌入式微处理器、存储器、I/O设备等硬件组成部件集成到单个芯片上成为可能，片上系统SoC (System on Chip)应运而生[2]。SOC极大地缩小了系统体积；减少了板级系统SoB(System on Board)中芯片与芯片之间的互连延迟，从而提高了系统的性能; 强调设计重用思想，提高了设计效率，缩短了设计周期，减少了产品的上市时间。因此SOC以其集成度高、体积小、功耗少、可靠性好、产品问世周期短等优点得到了越来越广泛地应用，并且正在逐渐成为当前嵌入式系统设计的主流技术[3]。但Soc设计不同于传统嵌入式系统的开发，如何快速、有效地开发和设计Soc产品是当前嵌入式设计开发方法学的一个十分重要的研究领
蓝牙5.0，几款低功耗蓝牙模块介绍 蓝牙5.0是蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)于2016年6月16日发布的新一代蓝牙标准。新标准将比蓝牙4.2有全面的提升，无论是通信速度、通信距离还是通信容量都有大幅度的改善。 官方表示，全新蓝牙5.0标准在性能上将远超目前的版本，也就是蓝牙4.2LE版本，包括在有效传输距离上将是4.2LE版本的4倍，也就是说，理论上，蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300米。而传输速度是4.2LE版本的2倍，速度上限为24Mbps。 下面小编就为你介绍几款低功耗的蓝牙5.0、蓝牙4.2模块。 MS88SF2 MS88SF2是采用Nordic nRF52840设计的贴片蓝牙5.0模块。它是一款高性价比、低功耗的片上系统(Soc)解决方案，适合蓝牙低功耗的应用，它降低了建立网络节点的成本。它有一个ARM内核Cortex-M4F的RF收发器，MCU有更快的运行速度，内核运行速度达到64Mhz，它能够实现更强大的运算能力以及浮点运算的技术，能实现非常复杂的算法。1MB FLASH程序空间、256KB RAM和其它功能强大的配套资源。它适用于低功耗系统、超低的睡眠电流及运行时的低功耗。 MS50SFB
MS50SFB是采用Nordic nRF52832设计的贴片5.0模块，该模块可采用PCB天线，陶瓷天线，带IPEX端子三种方式。它有一个ARM内核Cortex-M4F的RF收发器，MCU有更快的运行速度，它适用于低功耗系统、超低的睡眠电流及运行时的低功耗。 MS50SF6 MS50SF6是采用Nordic nRF52832的WLCSP封装设计的贴片蓝牙4.2模块。它有一个ARM 内核Cortex-M4F的RF收发器，MCU有更快的运行速度，内核运行速度达到64Mhz，它能够实现更强大的运算能力以及浮点运算的技术，能实现非常复杂的算法。512KB FLASH程序空间、64KB RAM和其它功能强大的配套资源。
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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近年来，以智能手机为代表的很多信息设备搭载的 Bluetooth?无线方式已渐成标配，而随着新版本v 4.0 Low Energy 的发布，已有向更广泛的应用领域扩展的趋势。对于新兴市场的开拓被寄予厚望，如计步器、活动量仪、血压计等可用于每日健康管理的医疗保健产品、以及多功能里程表、心率监测仪等应用了各种传感器的健身产品等。另外，由于 Bluetooth? v4.0 的功能改善，一直以来搭载 Bluetooth?的键盘和鼠标等现有的 PC 外设，也有望成为Bluetooth? Low Energy 的产品领域。无论在哪一个领域，急速渗透市场的智能手机和平板电脑终端可作为网络HUB发挥功能的新创造的服务发挥着核心作用。 制定 Bluetooth?无线通信标准的Bluetooth? SIG※，为了普及并促进这些新产品的智能化，重新确定了商标：Bluetooth? Smart / Bluetooth? Smart Ready。 ※Bluetooth? SIG是指对 Bluetooth 标准的制定与 Bluetooth 技术的利用进行认证的团体。 以往，以计算器、电子玩具和遥控器为代表的设备中一般使用的纽扣电池CR2032 ( 容量230mAh ) 等，因其电池所具有的放电特性而无法支持以往无线通信LSI所需的耗电量 ( 数十mA以上 )。但是，此次LAPIS Semiconductor、将以往多年积累的对低功耗RF电路技术的追求又更进一步，成功实现了10mA以下的无线通信工作。 可以说，无线通信的核心——RF电路设计是LAPIS Semiconductor独力研发的集大成产品。 LAPIS Semiconductor的面向ZigBee?注2产品注2等长年开发的RF电路设计技术，通过“ML7105”的开发，达成了收发数据时的电路电流目标。最大限度地发挥以往的技术积累，实现细致的电路电流的优化和RF电路结构的大幅变更。10mA以下的耗电量不仅可以延长相同容量电池的寿命，而且可以在使用更小的纽扣电池时，降低电池特有的内部电阻成分导致的电压下降的影响。 未来，支持Bluetooth? Low Energy的智能手机和平板电脑终端会更加普及，可以说，以往希望支持无线化却因耗电量的限制无法实现的客户也迎来了新的机会。LAPIS Semiconductor为了满足这类客户的需求，正在计划开发小型、低耗电量的模块。 作为可以发挥集团增效的领域，罗姆集团提出传感器、微控制器以及无线通信的融合与应用。无论哪种产品，低功耗都是最大的特点，罗姆正在不断完善用于传感器网络注3和泛在产品注4的商品阵容。 术语解说通信用LSI 低功耗微控制器 ARM微控制器 语音合成LSI 面向便携式设备的Audio LSI 图象LSI P2ROM DRAM 显示用驱动器 电池监视IC 传感器
https://www.doczj.com/doc/6a1337215.html,/inform ation/snug/2009/low-power-impleme ntation-flow-based-ieee1801-upf 基于IEEE1801(UPF)标准的低功耗设计实现流程 Low-power Implementation Flow Based IEEE1801 (UPF) 郭军, 廖水清, 张剑景 华为通信技术有限公司 jguo@https://www.doczj.com/doc/6a1337215.html, liaoshuiqing@https://www.doczj.com/doc/6a1337215.html, zhangjianjing@https://www.doczj.com/doc/6a1337215.html, Abstract Power consumption is becoming an increasingly important aspect of ASIC design. There are several different approaches that can be used to reduce power. However, it is important to use these low-power technology more effectively in IC design implementation and verification flow. In our latest low-power chip, we completed full implementation and verification flow from RTL to GDSII successfully and effectively by adopting IEEE1801 Unified Power Format (UPF). This paper will focus on UPF application in design implementation with Synopsys low power solution. It will highlight that how to describe our low-power intent using UPF and how to complete the design flow. This paper first illustrates current low-power methodology and UPF?s concept. Then, it discussed UPF application in detail. Finally, it gives our conclusion. Key words: IEEE1801, UPF, Low-Power, Shut-Down, Power Gating, Isolation, IC-Compiler 摘要
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
基于MSP430的极低功耗系统设计 摘要：MSP430是TI公司出品的一款强大的16位单片机，其显著特点是具有极低的功耗。本文对构造以MSP430为基础极低功耗系统作为有益的探讨，对于设计各种便携式设备都具有较高的参考价值。 对于一个数字系统而言，其功耗大致满足以下公式：P=CV2f，其中C为系统的负载电容，V为电源电压，f为系统工作频率。由此可见，功耗与电源电压的平方成正比，因此电源电压对系统的功耗影响最大，其次是工作频率，再就是负载电容。负载电容对设计人员而言，一般是不可控的，因此设计一个低功耗系统，应该考虑到不影响系统性能前提下，尽可能地降低电源的电压和使用低频率的时钟。下面对TI公司新出MSP430来具体探讨这个问题。 MSP430具有工业级16位RISC，其I/O和CPU可以运行在不的时钟下。CPU功耗可以通过开关状态寄存器的控制位来控制：正常运行时电流160μA,备用时为0.1μA，功耗低，为设计低功耗系统提供了有利的条件。 图1是我们设计的以MSP430为CPU的“精密温度测试仪”（下面简称测试仪）。该产品使用电池供电，体积小巧，携带方便。 在使用时应该尽可能地选择最低的电源电压。对于MSP430而言，可用的最低电压是很低的，最低可达1.8V。我们使用TI公司推荐使用的3V。通常的电源只提供5V电压，因此，需要将5V电压由一个3V的稳压管降压后给CPU供电，也可以直接锂电池供电。3V不是标准的TTL电平，因此，在使用时需要用接口电路使CPU的非TTL标准电平能与TTL标准电平的器件连接。这些接口电路应该也是低功耗的，否则会造成一方面使用低电压降低了功耗，另一个方面使用额外的接口电路又增加了系统的功耗。或者直接使用支持3V电压的外围芯片。图1 （2）时钟频率 从低功耗的角度看，需要较低的频率，但是在实时应用中为了快速响应外部事件
影响蓝牙BLE设备低功耗的四个因素 首先，应该明白蓝牙BLE设备的几个状态：从机处于待机，广播，连接状态中的一种，主机处于待机，扫描，连接状态的一种。connection interval是连接状态的参数，两设备没有连接，该参数就不会影响其这个状态的功耗。 再次，设备在不是在连接状态一般就处于广播状态，降低功耗，当然可以增大广播间隔。其原理是蓝牙设备每隔一定的周期（广播间隔）后唤醒发射广播报文，其余时间处于sleep状态，功耗为1uA（PM2模式），增大了广播间隔，睡眠时间长，自然就降低了功耗。 所以影响功耗的参数，包含ADV parameter和connection parameters，在不同的状态下发挥作用。下面云里物里科技就分析下影响BLE蓝牙设备低功耗的几个因素。 1、广播的间隔 在广播期间，每次发送广播数据的间隔也能影响BLE设备的功耗，所以可以将广播的间隔修改大一点以降低功耗。但是需要注意的的是，如果将广播的间隔修改大之后，相应地会影响BLE设备的连接速度，所以这里也不宜修改过大，最好广播默认20ms连接间隔最好。 2、广播持续的时间 在广播模式下，可以设置每次开始广播后的广播持续时间，理所当然，广播持续的时间越短则越省电。当然，具体的时间可以根据实际使用的场合而定。 3、连接间隔 当连接上蓝牙BLE设备时，蓝牙主机会向BLE设备发送连接事件(Connection Events)，BLE设备接收到连接事件后，会进行回复，以通知蓝牙主机连接通路正常。而这段时间真是BLE设备连接后最耗电的时候，所以增加连接间隔时间会降低BLE设备的功耗，但是需要注意的是，改变连接间隔时间就相应地会改变蓝牙的通讯速度，所以还需谨慎修改。
随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个非常重要的考虑因素。为了使产品更具有竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯的追求高性能、小面积，转换为对性能、面积、功耗的综合要求。微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有非常重要的意义。 本文首先介绍了微处理器的功耗来源，重点介绍了常用的低功耗设计技术，并对今后低功耗微处理器设计的研究方向进行了展望。 1 微处理器的功耗来源 研究微处理器的低功耗设计技术，首先必须了解其功耗来源。高层次仿真得出的结论如图1所示。 从图1中可以看出，时钟单元(Clock)功耗最高，因为时钟单元有时钟发生器、时钟驱动、时钟树和钟控单元的时钟负载;数据通路(Datapath)是仅次于时钟单元的部分，其功耗主要来自运算单元、总线和寄存器堆。除了上述两部分，还有存储单元(Mem ory)，控制部分和输入/输出 (Control，I/O)。存储单元的功耗与容量相关。 如图2所示，C MOS电路功耗主要由3部分组成：电路电容充放电引起的动态功耗，结反偏时漏电流引起的功耗和短路电流引起的功耗。其中，动态功耗是最主要的，占了总功耗的90%以上，表达式如下： 式中：f为时钟频率，C1为节点电容，α为节点的翻转概率，Vdd为工作电压。
2 常用的低功耗设计技术 低功耗设计足一个复杂的综合性课题。就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等;就设计抽象层次而言，包括自系统级至版图级的所有抽象层次。同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。下面讨论常用的低功耗设计技术。 2.1 动态电压调节 由式(1)可知，动态功耗与工作电压的平方成正比，功耗将随着工作电压的降低以二次方的速度降低，因此降低工作电压是降低功耗的有力措施。但是，仅仅降低工作电压会导致传播延迟加大，执行时间变长。然而，系统负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持高性能。动态电压调节DVS (Dynarnic Voltage Scaling)技术降低功耗的主要思路是根据芯片工作状态改变功耗管理模式，从而在保证性能的基础上降低功耗。在不同模式下，工作电压可以进行调整。为了精确地控制DVS，需要采用电压调度模块来实时改变工作电压，电压调度模块通过分析当前和过去状态下系统工作情况的不同来预测电路的工作负荷。 2.2 门控时钟和可变频率时钟 如图1所示，在微处理器中，很大一部分功耗来自时钟。时钟是惟一在所有时间都充放电的信号，而且很多情况下引起不必要的门的翻转，因此降低时钟的开关活动性将对降低整个系统的功耗产牛很大的影响。门控时钟包括门控逻辑模块时钟和门控寄存器时钟。门控逻辑模块时钟对时钟网络进行划分，如果在当前的时钟周期内，系统没有用到某些逻辑模块，则暂时切断这些模块的时钟信号，从而明显地降低开关功耗。图3为采用“与”门实现的时钟控制电路。门控寄存器时钟的原理是当寄存器保持数据时，关闭寄存器时钟，以降低功耗。然而，门控时钟易引起毛刺，必须对信号的时序加以严格限制，并对其进行仔细的时序验证。 另一种常用的时钟技术就是可变频率时钟。根据系统性能要求，配置适当的时钟频率，避免不必要的功耗。门控时钟实际上是可变频率时钟的一种极限情况(即只有零和最高频率两种值)，因此，可变频率时钟比门控时钟技术更加有效，但需要系统内嵌时钟产生模块PLL，增加了设计复杂度。去年Intel公司推出的采用先进动态功耗控制技术的Montecito处理器，就利用了变频时钟系统。该芯片内嵌一个高精度数字电流表，利用封装上的微小电压降计算总电流;通过内嵌的一个32位微处理器来调整主频，达到64级动态功耗调整的目的，大大降低了功耗。
蓝牙低能耗与 ANT? 无线连接解决 方案
TI 推出蓝牙低功耗与 ANT? 技术
TI 推出业界首款完整型蓝牙 (Bluetooth?) 低能耗解决方案与最高集成型 ANT? 网络处理器，进一步扩展在无线连接领域 的领先地位。 面向消费类医疗、移动附件、运动以及保 健应用的超低功耗短距无线技术。 CC2540 单模式蓝牙低能耗片上系统与 CC257x ANT? 网络处理器 (CC257x) 可使目标应用通过一颗纽扣电池连续工作超过 1 年。 加上 WiLink6.0 及 7.0，TI 可为传感器应用与移动手持外设提供全面测 试的高稳健型产业环境。
短距离无线通信
距离
专有低功耗无线电
1000m
游戏 计算机外设 音频 抄表 楼宇管理 汽车
100m
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10m
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1m 10cm 1k
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数据数率 (bps)
10k
100k
1M
10M
CC2540 蓝牙低能耗片上系统
基于ARM的SoC设计入门 2005-12-27 来源:电子工程专辑阅读次数: 1033 作者:蒋燕波 我们跳过所有对ARM介绍性的描述，直接进入工程师们最关心的问题。 要设计一个基于ARM的SoC，我们首先要了解一个基于ARM的SoC的结构。图1是一个典型的SoC的结构：
图1 从图1我们可以了解这个的SoC的基本构成： ARM core：ARM966E
?AMBA 总线：AHB+APB ?外设IP(Peripheral IPs)：VIC(Vector Interrupt Controller), DMA, UART, RTC, SSP, WDT ?Memory blocks：SRAM, FLASH ?模拟IP：ADC, PLL 如果公司已经决定要开始进行一个基于ARM的SoC的设计，我们将会面临一系列与这些基本构成相关的问题，在下面的篇幅中，我们尝试讨论这些问题。 1. 我们应该选择那种内核？ 的确，ARM为我们提供了非常多的选择，从下面的表-1中我们可以看到各种不同ARM内核的不同特点：
表1 ARM已经给出了基本的参考意见：
?如果您在开发嵌入式实时系统，例如汽车控制、工业控制或网络应用，则应该选择Embedded core。 ?如果您在开发以应用程序为主并要使用操作系统，例如Linux, Palm OS, Symbian OS 或Windows CE等等，则应选择Application core。 ?如果您在开发象Smart card，SIM卡或者POS机一样的需要安全保密的系统，则需要选择Secure Core。 举个例子，假如今天我们需要设计的是一个VoIP电话使用的SoC，由于这个应用不需要使用到操作系统，所以我们可以考虑使用没有MMU的内核。另外由于网络协议盏对实时性的要求较高，所以我们可以考虑ARM9系列的内核。又由于VoIP有语音编解码方面的需求，所以需要有DSP功能扩展的内核，所以ARM946E-S或ARM966E-S应该是比较合适的选择。 当然，在实际工作中的问题要比这个例子要复杂的多，比如在上一个例子中，我们也可以选择ARM7TDMI内核加一个DSP的解决方案，由ARM来完成系统控制以及网络协议盏的处理，由单独的DSP来完成语音编解码的功能。我们需要对比不同方案的面积，功耗和性能等方面的优缺点。同时我们还要考虑Cache size，TCM size，实际的内核工作频率等等相关问题，所以我们需要的一个能构快速建模的工具来帮助我们决定这些问题。现在的EDA工具为我们提供了这样的可能，例如Synopsys?的CCSS（CoCentric System Studio）以及Axys?公司的Maxsim?等工具都可以帮助我们实现快速建模，并在硬件还没有实现以前就可以提供一个软件的仿真平台，让我们在这个平台上进行软硬联仿，评估我们设想的硬件是否满足需求。 2.我们应该选择那种总线结构？ 在提供内核给我们的同时，ARM也提供了多种的总线结构。例如ASB，AHB，AHB lite，AXI等等，在定义使用何种总线的同时，我们还要评估到底怎样的总线频率才能满足我们的需求，而同时不会消耗过多的功耗和片上面积。这就是我们平时常说的Architecture Exploration的问题。 和上一个问题一样，这样的问题也需要我们使用快速建模的工具来帮我们作决定。通常，这些工具能为我们提供抽象级别很高的TLM（Transaction Level Models）模型来帮助我们建模，常用的IP在这些工具提供的库中都可以找到，例如各种ARM core，AHB/APB BFM（Bus Function Model），DMAC以及各种外设IP。这些工具和TLM模型提供了比RTL仿真快100～10000倍的软硬联仿性能，并提供系统的分析功能，如果系统架构不能满足需要，那么瓶颈在系统的什么地方，是否是内核速度不够？总线频率太低？Cache太小？还是中断响应开销太多？是否需要添加DMA？等等，诸如此类的问题，我们多可以在工具的帮助下解决。