嵌入式系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)內(nèi)容低功耗設(shè)計(jì)概述功耗控制技術(shù)Moblin的功耗控制技術(shù)8.1低功耗設(shè)計(jì)概述嵌入式低功耗的重要性嵌入式系統(tǒng)的功耗組成CMOS電路的基本功耗模型8.1.1嵌入式低功耗的重要性HotPlateNuclearReactor386486PentiumPentiumProPentium2Pentium3Pentium4(Prescott)Pentium4為什么功耗問題這么重要？電池容量不遵循摩爾定律增長(zhǎng)Processor(MIPS)HardDisk(capacity)Memory(capacity)Battery(energystored)012345616x14x12x10x8x6x4x2x1xImprovement

(comparedtoyear0)Time(years)8.1.2嵌入式系統(tǒng)的功耗組成CPU不再是唯一的功耗的組成處理器、無(wú)線通信、屏幕是嵌入式系統(tǒng)的3個(gè)主要功耗部件8.1.3CMOS電路的基本功耗模型分為靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗——回顧第3章關(guān)于處理器的知識(shí)，實(shí)際上這一點(diǎn)對(duì)所有CMOS電路都適用。靜態(tài)功耗曾經(jīng)微不足道，但現(xiàn)在隨著工藝制程(130nm、90nm、60nm)向深納米發(fā)展，問題已經(jīng)變得非常突出。動(dòng)態(tài)功耗=aCFV2a為與電路有關(guān)的一個(gè)調(diào)整參數(shù)；C為一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的總柵電容，對(duì)于一個(gè)處理器來(lái)說它是固定的。V最關(guān)鍵，因?yàn)閯?dòng)態(tài)功耗與其平方成正比。此外隨著工藝制程(130nm、90nm、60nm)的發(fā)展，工作電壓要求越來(lái)越低。F為時(shí)鐘頻率。V與F的制約關(guān)系V越高，可以支持的F越高8.2功耗控制技術(shù)功耗控制可以從不同層次來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)實(shí)現(xiàn)效果，從高到低可分為：系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件算法設(shè)計(jì)硬件的設(shè)計(jì)8.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的低功耗考慮待機(jī)模式的設(shè)計(jì)卸載計(jì)算密集任務(wù)到專用硬件動(dòng)態(tài)電源管理(DynamicPowerManagement)動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整(DynamicVoltage/FrequencyScaling)時(shí)鐘門控(ClockGating)技術(shù)8.2.1.1待機(jī)模式的設(shè)計(jì)對(duì)于大多數(shù)家電希望能用遙控器控制開關(guān)所以待機(jī)時(shí)，不能完全斷電。常用的實(shí)現(xiàn)方法包括兩種：偽待機(jī)方案待機(jī)時(shí)就是程序不運(yùn)行，關(guān)閉顯示待機(jī)功耗很大備份MCU方案用一個(gè)非常低功耗的MCU來(lái)負(fù)責(zé)遙控器的響應(yīng)，并且控制主CPU的電源待機(jī)時(shí)主CPU完全斷電8.2.1.2卸載計(jì)算密集任務(wù)到專用硬件通過把復(fù)雜的計(jì)算卸載(offloading)到專門的硬件上，放低對(duì)主處理器的主頻要求比如一視頻播放器里的YUV→RGB轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)如果用CPU來(lái)做，對(duì)于720p的可能要用掉一個(gè)嵌入式處理器（400Mhz左右）的全部計(jì)算能力，功耗10瓦左右。但是如果用一個(gè)專門的硬件電路來(lái)做（并行的多個(gè)乘加單元），可能10Mhz的工作頻率就夠了，也許幾十個(gè)mW功耗就夠了采用具有專門對(duì)你的計(jì)算密集應(yīng)用有專門加速模塊的SoC比如TIOMAP2420里的Imaging/VideoAccelerator模塊如果價(jià)格不敏感，可以直接利用FPGA設(shè)計(jì)加速模塊8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理(DynamicPowerManagement)很多處理器或者外設(shè)支持多種不同的睡眠模式一般是通過關(guān)斷部分電路的電源實(shí)現(xiàn)睡眠不同的睡眠模式下，關(guān)斷的范圍不一樣，從而從睡眠恢復(fù)所需的時(shí)間也不一樣盡量讓系統(tǒng)在沒有活動(dòng)任務(wù)時(shí)進(jìn)入盡可能深的睡眠模式需要操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的配合才能實(shí)現(xiàn)模式切換的頻度的折中從睡眠模式恢復(fù)到正常狀態(tài)的這個(gè)過程往往比正常模式還要費(fèi)電比如硬盤從靜止→啟動(dòng)到規(guī)定的轉(zhuǎn)速過于激進(jìn)的切換，可能導(dǎo)致頻繁的恢復(fù)，所以反而更耗電過于保守的切換，節(jié)電效果也不好8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理處理器功耗管理策略處理器的運(yùn)行方式可以用一個(gè)電源狀態(tài)機(jī)來(lái)描述：8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理處理器功耗管理策略(續(xù))

處理器的電源（即功耗）有兩種不同類型的管理策略：一種是靜態(tài)電源管理機(jī)制。它由用戶調(diào)用，不依賴于處理器活動(dòng)。一個(gè)靜態(tài)機(jī)制的例子是通過節(jié)電模式來(lái)節(jié)省電源。這種方式用一條指令來(lái)進(jìn)入，通過接收一個(gè)中斷或其他事件來(lái)結(jié)束。另一種是動(dòng)態(tài)電源管理機(jī)制。它是基于處理器的動(dòng)態(tài)活動(dòng)來(lái)對(duì)功耗來(lái)進(jìn)行控制的。例如，當(dāng)指令運(yùn)行時(shí)，如果處理器某些部分的邏輯不需運(yùn)行，那么處理器也許會(huì)關(guān)掉這些特定部分。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理APM、ACPI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)嵌入式計(jì)算系統(tǒng)的低功耗，需要硬件和操作系統(tǒng)協(xié)同地工作。為協(xié)調(diào)操作系統(tǒng)和硬件對(duì)功耗和電源的管理，需要為兩者制定一套統(tǒng)一的接口規(guī)范。最早的規(guī)范是APM（Advancedpowermanagement，高級(jí)功耗管理），它是由Intel和微軟聯(lián)手發(fā)布的一組API，使運(yùn)行于與IBM兼容的個(gè)人計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)能與BIOS協(xié)同實(shí)現(xiàn)功耗管理。目前的規(guī)范是ACPI（AdvancedConfigurationandPowerInterface，高級(jí)配置和電源接口），它是從APM發(fā)展過來(lái)的。ACPI是一個(gè)電源管理服務(wù)的開放工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它與多種操作系統(tǒng)兼容，最初目標(biāo)是針對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)的。ACPI提供了一些電源管理的基本工具并抽象出硬件層。操作系統(tǒng)有自己的電源管理模型，它通過ACPI向硬件發(fā)送需求控制，然后觀察硬件狀態(tài)將其作為電源管理的輸入，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備的電源的控制。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理APM、ACPI標(biāo)準(zhǔn)ACPI在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)目前一些流行操作系統(tǒng)和軟件平臺(tái)，如WindowsXP、Moblin等，都是支持ACPI。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理操作系統(tǒng)支持的常見低功耗狀態(tài)當(dāng)任務(wù)空閑（或稱處于非活躍狀態(tài)）時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可通過進(jìn)入各種低功耗的工作模式的方式來(lái)節(jié)能，這些低功耗的工作模式有時(shí)又統(tǒng)稱為“睡眠”模式。系統(tǒng)的這些低功耗工作模式，介于系統(tǒng)完全啟動(dòng)和完全關(guān)閉狀態(tài)之間，擁有多種形式，每種形式擁有自己的特點(diǎn)，能滿足不同角度的用戶需求。這些工作模式包括：待機(jī)（Standby）系統(tǒng)處于“待機(jī)（Standby）”模式時(shí)，將切斷所用硬件組件的電源，從而減少計(jì)算機(jī)的電源消耗。“待機(jī)”可切斷外圍設(shè)備、顯示器甚至硬盤驅(qū)動(dòng)器的電源，但會(huì)保留計(jì)算機(jī)內(nèi)存的電源，以不至于丟失工作數(shù)據(jù)。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理操作系統(tǒng)支持的常見低功耗狀態(tài)待機(jī)（Standby）(續(xù))待機(jī)模式的主要優(yōu)點(diǎn)在于恢復(fù)時(shí)間短，只需數(shù)秒時(shí)間系統(tǒng)就可恢復(fù)到之前的狀態(tài)。缺點(diǎn)在于待機(jī)模式仍需要對(duì)內(nèi)存供電。這樣內(nèi)存內(nèi)容將不會(huì)被保存到文件夾中，因而也就不會(huì)因?yàn)閮?nèi)存重新加載而影響運(yùn)行速度。但是，如果在該模式下發(fā)生電源中斷，所有未保存的內(nèi)存內(nèi)容都將丟失。因此，待機(jī)又稱為掛起到內(nèi)存（SuspendtoRAM，簡(jiǎn)稱STR）。處于待機(jī)狀態(tài)的系統(tǒng)，除硬盤外，其他設(shè)備還是處于加電等待狀態(tài)（也就是說喚醒時(shí)無(wú)須重新加電，通俗地說就是原地待命），所以電源、處理器、顯卡等設(shè)備的風(fēng)扇還是處于工作中，鍵盤指示燈也是亮著的。我們可以通過按鍵盤任意鍵或動(dòng)一下鼠標(biāo)來(lái)喚醒電腦，這時(shí)硬盤就會(huì)重新加電并啟動(dòng)，然后和內(nèi)存、處理器等設(shè)備交換數(shù)據(jù)，從而完成返回到原來(lái)工作模式的任務(wù)。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理操作系統(tǒng)支持的常見低功耗狀態(tài)休眠（Hibernate）系統(tǒng)處于“休眠（Hibernate）”模式時(shí)，將保存運(yùn)行狀態(tài)的一份映像到外部存儲(chǔ)器中，然后關(guān)閉計(jì)算機(jī)電源。這樣重啟電源時(shí)，運(yùn)行就會(huì)恢復(fù)到按原來(lái)離開時(shí)的樣子，如文件和文檔就會(huì)按原來(lái)離開時(shí)的樣子在桌面上打開。休眠模式比待機(jī)模式的脫機(jī)程度更深，因此有助于節(jié)省更多的電量，但重啟時(shí)間更長(zhǎng)。此外，休眠模式還具備更高的安全性。這是因?yàn)樵撃Ｊ讲粌H會(huì)像睡眠模式那樣關(guān)閉對(duì)外設(shè)和硬盤的供電，而且還會(huì)切斷對(duì)RAM內(nèi)存芯片的供電。因此，又稱為掛起到硬盤（SuspendtoDisk，簡(jiǎn)稱STD）。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理操作系統(tǒng)支持的常見低功耗狀態(tài)休眠（Hibernate）(續(xù))由于休眠模式會(huì)在關(guān)閉電源之前，將內(nèi)存中的所有數(shù)據(jù)保存至（寫入）外部存儲(chǔ)器（一般是硬盤）上的參考文件中。退出休眠模式時(shí)，系統(tǒng)將恢復(fù)（讀?。┰撐募?，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)重新加載到內(nèi)存中。這樣，系統(tǒng)就恢復(fù)到了之前的工作模式。由于休眠模式需要保存內(nèi)存數(shù)據(jù)，因此與睡眠模式相比，該模式的恢復(fù)（喚醒）時(shí)間要更長(zhǎng)。這種模式的優(yōu)勢(shì)在于其完全不耗電，因此不怕休眠后供電異常，但代價(jià)是需要一塊和物理內(nèi)存一樣大小的硬盤空間。而這種模式的恢復(fù)速度較待機(jī)模式慢。休眠狀態(tài)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)幾乎和通常關(guān)機(jī)一樣安靜，用戶還可以完全切斷電源，而內(nèi)存的數(shù)據(jù)（即運(yùn)行狀態(tài)）不會(huì)由于斷電而丟失。與待機(jī)相比，休眠一般難以通過外部設(shè)備來(lái)喚醒的，它需要和正常開機(jī)一樣啟動(dòng)系統(tǒng)；不過和開機(jī)相比，休眠后啟動(dòng)系統(tǒng)無(wú)需一個(gè)一個(gè)進(jìn)程地來(lái)啟動(dòng)，只須要將硬盤中的內(nèi)存鏡像讀取到內(nèi)存中即可，因此速度較開機(jī)還是快得多。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理操作系統(tǒng)支持的常見低功耗狀態(tài)睡眠（Sleep）“睡眠（Sleep）”模式結(jié)合了待機(jī)和休眠的所有優(yōu)點(diǎn)。將系統(tǒng)切換到睡眠狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)存到硬盤上的休眠文件中，然后關(guān)閉除了內(nèi)存外所有設(shè)備的供電，讓內(nèi)存中的數(shù)據(jù)依然維持著。這樣，當(dāng)用戶想要恢復(fù)的時(shí)候，如果在睡眠過程中供電沒有發(fā)生過異常，就可以直接從內(nèi)存中的數(shù)據(jù)恢復(fù)，速度很快；但如果睡眠過程中供電異常，內(nèi)存中的數(shù)據(jù)已經(jīng)丟失了，還可以從硬盤上恢復(fù)，只是速度會(huì)慢一點(diǎn)。不過無(wú)論如何，這種模式都不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。此外，睡眠模式也不是一直不變地持續(xù)下去的，如果系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式一段時(shí)間后沒有被喚醒，那么還會(huì)自動(dòng)被轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，并關(guān)閉對(duì)內(nèi)存的供電，進(jìn)一步節(jié)約能耗。8.2.1.3動(dòng)態(tài)電源管理操作系統(tǒng)支持的常見低功耗狀態(tài)實(shí)現(xiàn)這些低功耗狀態(tài)節(jié)能，一方面需要操作系統(tǒng)的支持，另一方面也要求硬件提供相應(yīng)的支持，如支持高級(jí)配置和電源接口（ACPI），這樣的協(xié)同才能實(shí)現(xiàn)上述功能。當(dāng)空閑時(shí)間（又稱非活躍時(shí)間）達(dá)到指定長(zhǎng)度，或者檢測(cè)出電池電量不足時(shí)，操作系統(tǒng)可自動(dòng)將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)置于各種相應(yīng)的低功耗狀態(tài)，從而達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能的目的。8.2.1.4動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整(DynamicVoltage/FrequencyScaling)某些新的CPU可以讓軟件動(dòng)態(tài)的改變工作電壓和頻率通常兩者按一定比例同步的修改，電壓上升，可以運(yùn)行的最高頻率上升某些時(shí)候CPU上執(zhí)行的任務(wù)并不一定要求很快完成比如在Windows事件循環(huán)中idle階段的一些處理此時(shí)可以將CPU頻率改慢，同時(shí)CPU電壓改低→兩者都對(duì)降低功耗有貢獻(xiàn)8.2.1.4動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整技術(shù)實(shí)例：SpeedStep、EIST、C&Q技術(shù)SpeedStep是由Intel公司推出的，對(duì)IntelCPU進(jìn)行功耗控制的一項(xiàng)技術(shù)。后來(lái)Intel發(fā)展了該技術(shù)，現(xiàn)在一般統(tǒng)稱為EIST（EnhancedIntelSpeedStepTechnology，增強(qiáng)型智能變頻）。此技術(shù)最早用在IntelPentium3-M處理器上，現(xiàn)在IntelPentium46xx、PentiumM、PentiumD、酷睿（Core）、Atom等多種系列上都采用了此技術(shù)。此技術(shù)的基本原理是通過調(diào)整處理器的電壓和頻率，來(lái)減少其功耗和發(fā)熱，當(dāng)然隨著電壓和頻率的降低，處理器的處理速度也會(huì)隨之有所降低。采用此技術(shù)的系統(tǒng)，不僅更加節(jié)能，而且不需要安裝大功率散熱器來(lái)散熱，也不用擔(dān)心長(zhǎng)時(shí)間使用因溫度過高導(dǎo)致電腦不穩(wěn)定。8.2.1.4動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整技術(shù)實(shí)例：SpeedStep、EIST、C&Q技術(shù)對(duì)于AMD處理器，該公司推出了兩種與EIST類似的CPU節(jié)流技術(shù)。一個(gè)是C&Q（Cool'n'Quiet）技術(shù)，俗稱“涼又靜”。該技術(shù)用在了它的桌面和服務(wù)器處理器生產(chǎn)線上。其目標(biāo)不是去延長(zhǎng)電池壽命，因?yàn)樗]有用在AMD移動(dòng)處理器上，而是為了產(chǎn)生少的熱量。當(dāng)處理器的任務(wù)不是很重時(shí)，該技術(shù)會(huì)根據(jù)處理器的任務(wù)量的多少來(lái)調(diào)用和關(guān)閉一些晶體管，這樣可減少散熱需求，并據(jù)此將系統(tǒng)風(fēng)扇逐漸下降到較低速度，從而產(chǎn)生更涼爽、更安靜的操作，這恰好是該項(xiàng)技術(shù)的名字來(lái)由。8.2.1.4動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整技術(shù)實(shí)例：SpeedStep、EIST、C&Q技術(shù)同樣，要實(shí)現(xiàn)C&Q功能，系統(tǒng)必須滿足以下條件：支持C&Q的處理器、支持C&Q的主板和相應(yīng)的BIOS、適當(dāng)?shù)腂IOS設(shè)置、操作系統(tǒng)的支持和正確的系統(tǒng)設(shè)置。另一種CPU節(jié)流（CPUthrottling）技術(shù)是AMDPowerNow。該技術(shù)主要用在移動(dòng)處理器上，而在桌面系統(tǒng)上也能找到一些支持的CPU，如AMDK6-2+。該技術(shù)以每秒30次的頻率“偵察”處理器的負(fù)荷情況，根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)更改工作頻率和電壓，從而達(dá)到降低發(fā)熱和功耗的目的。8.2.1.5時(shí)鐘門控(ClockGating)技術(shù)時(shí)鐘門控技術(shù)是通過另一種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的，它通過關(guān)閉和開啟相關(guān)模塊的時(shí)鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)功耗控制的。此技術(shù)最早在諸如OMAP3之類的手機(jī)傳統(tǒng)芯片家族中應(yīng)用，而Intel從Pentium4處理器也開始采用它來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。采用時(shí)鐘門控技術(shù)，如果在當(dāng)前的時(shí)鐘周期內(nèi)，系統(tǒng)沒有用到某些邏輯模塊，則切斷這些模塊的時(shí)鐘信號(hào)，關(guān)閉模塊的電路使其邏輯開關(guān)不改變狀態(tài)，這樣僅需要保留漏電流而其切換功率消耗接近于零，從而達(dá)到降低功耗的效果。而當(dāng)有工作要做時(shí)，重新激活模塊的時(shí)鐘。以上過程又稱裁剪時(shí)鐘樹（pruneclocktree）。從某種意義上來(lái)說，時(shí)鐘門控實(shí)際上是可變頻率時(shí)鐘的一種極限情況——即只有零和最高頻率兩種值。為實(shí)現(xiàn)此技術(shù)，要求每個(gè)模塊——又稱功能單元塊（FunctionalUnitBlock，F(xiàn)UB）——都包含有時(shí)鐘門邏輯電路，也就是說，要實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘樹的裁剪必須有附加邏輯部件來(lái)保證。時(shí)鐘門控有幾種實(shí)現(xiàn)形式。一種是通過軟件的手工時(shí)鐘門控，此方法中，由驅(qū)動(dòng)來(lái)開啟或關(guān)閉指定空閑控制器所使用的不同時(shí)鐘。另一種是自動(dòng)時(shí)鐘門控，此方法中，硬件能被告知或自己檢測(cè)到是否有工作在做，然后如果指定時(shí)鐘不再需要的話則關(guān)閉它。這些模式互相影響、融合。例如，一個(gè)內(nèi)部橋或總線可能會(huì)使用自動(dòng)門控，這樣它始終被門控關(guān)閉著，直到處理器或DMA引擎需要使用它才結(jié)束。而總線上的外圍設(shè)備如果在軟件上沒有使用到的話，則可能被驅(qū)動(dòng)程序中的門控相關(guān)代碼關(guān)閉。8.2.2軟件的考慮

程序設(shè)計(jì)中的低功耗遵循的主要的原則和建議有：1．低功耗優(yōu)化的最基本原則低功耗優(yōu)化的最基本原則盡量減少處理器和各種外設(shè)的工作時(shí)間。當(dāng)不需要某個(gè)外設(shè)和不需要處理器運(yùn)算時(shí)，盡可能地把處理器和外設(shè)的功耗降低或關(guān)閉。由于處理器的功耗在系統(tǒng)的總功耗中所占比例較大，因此要盡可能縮短處理器的工作時(shí)間，較長(zhǎng)地處于空閑方式或掉電方式是軟件設(shè)計(jì)降低嵌入式系統(tǒng)功耗的關(guān)鍵。8.2.2軟件的考慮2．總體建議是：高性能=低功耗基本上所有軟件層次的性能優(yōu)化的措施對(duì)于降低功耗都是有積極作用的：算法層次優(yōu)化→減少運(yùn)算次數(shù)→降低CPU頻率要求實(shí)現(xiàn)層次優(yōu)化減少完成同樣的運(yùn)算次數(shù)所需的CPU時(shí)鐘數(shù)→降低CPU頻率要求減少內(nèi)存數(shù)據(jù)搬運(yùn)次數(shù)→減少總線、內(nèi)存的功耗一般來(lái)說，在電壓固定的大多數(shù)情況下，短暫時(shí)間內(nèi)以峰值速度運(yùn)行而長(zhǎng)時(shí)間地處于深度空閑狀態(tài)，比長(zhǎng)時(shí)間以低時(shí)鐘率（即工作頻率）運(yùn)行而僅以短時(shí)間處于輕度空閑狀態(tài)，節(jié)能的效率要高得多。因此，同樣的任務(wù)以最短的時(shí)間運(yùn)行完，然后進(jìn)入空閑狀態(tài)，比以較長(zhǎng)的時(shí)間運(yùn)行完，然后才進(jìn)入短暫的空閑狀態(tài)，消耗的電能要少得多。采用快速算法也可以降低功耗，這實(shí)際上也是遵循了高性能等于低功耗這條建議。8.2.2軟件的考慮3．盡量使用功耗低的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)完成同樣的任務(wù)可以選擇不同的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，然而不同的硬件的功耗開銷是不一樣，應(yīng)該選擇功耗低的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般地，寄存器訪問的能耗是最低的，高速緩存訪問的能耗比主存訪問的能耗低。因此在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量遵循以下建議：盡量有效使用寄存器。分析高速緩存行為來(lái)發(fā)現(xiàn)主要的高速緩存沖突。盡可能在存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用頁(yè)模式訪問。8.2.2軟件的考慮4．輪詢是低功耗優(yōu)化的大敵。程序在等待狀態(tài)改變或者訪問外設(shè)時(shí)可能會(huì)采用輪詢（poll）的方法，此方法有時(shí)又稱“飛速旋轉(zhuǎn)”（spinning）代碼。輪詢讓處理器重復(fù)執(zhí)行幾條指令，其功率消耗與繁重計(jì)算任務(wù)基本相當(dāng)，而其作用僅僅是等待狀態(tài)改變，卻無(wú)法讓等待期進(jìn)入空閑狀態(tài)，造成功耗的大量浪費(fèi)。因此，在低功耗設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量避免使用輪詢，而使用替代方法。例如，對(duì)外設(shè)的訪問使用中斷方式來(lái)代替輪詢；客戶-服務(wù)器協(xié)作模型中，將客戶端不停地查詢服務(wù)，改為服務(wù)器主動(dòng)推（push）服務(wù)給客戶端；在線程同步時(shí)，如果需要查詢狀態(tài)改變，可以使用操作系統(tǒng)提供的事件量（event）、信號(hào)量（semaphore）等服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。8.2.2軟件的考慮5．事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)方法從軟件設(shè)計(jì)方法來(lái)說，低功耗程序應(yīng)該盡量遵循事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)。所謂事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)就是程序設(shè)計(jì)成響應(yīng)事件的模式：當(dāng)有事件來(lái)就運(yùn)行處理事件；當(dāng)沒有事件到達(dá)，或事件處理完程序放棄處理器處于“休眠”狀態(tài)。這里說的事件是廣義的事件，包括用戶的輸入、網(wǎng)絡(luò)通信事件、進(jìn)程/線程同步時(shí)的事件等。在Windows系統(tǒng)中，事件驅(qū)動(dòng)被稱為消息驅(qū)動(dòng)。采用事件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的程序，使處理器的利用率特別高：只有真正有事情要處理時(shí)才運(yùn)行，無(wú)事情處理時(shí)，讓出處理器，這樣操作系統(tǒng)和硬件就能在處理器讓出的時(shí)間內(nèi)及時(shí)地偵測(cè)到處理器處于空閑狀態(tài)，從而做出降低功耗的操作。事件驅(qū)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)方法在嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)特殊分支領(lǐng)域——無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)——中幾乎被當(dāng)做鐵的紀(jì)律。8.2.2軟件的考慮6．減少程序中類似于輪詢的周期性操作前面說輪詢操作使系統(tǒng)消耗不必要的電能，而實(shí)際上，程序中一些不必要的周期性觸發(fā)或運(yùn)行的操作同樣有著與輪詢類似的消耗不必要的電能的效果。Moblin中的TicklessIdle技術(shù)實(shí)際上是操作系統(tǒng)內(nèi)核程序遵循此原則采取的改進(jìn)，即去除內(nèi)核中周期性的定時(shí)操作。此外還有很多Linux應(yīng)用程序中常見的不必要的周期性觸發(fā)或運(yùn)行的操作。例如鼠標(biāo)移動(dòng)（每秒1次，在屏保中常用）、音量改變（每秒10次，在混頻器程序中常用）。這些常見的不必要的周期性觸發(fā)或運(yùn)行的操作，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)從空閑狀態(tài)中不必要地喚醒，應(yīng)該引起我們的注意，小心地加以避免或改進(jìn)，否則它們會(huì)輕易地抵消掉各種節(jié)能技術(shù)帶來(lái)的功耗節(jié)省。8.2.2軟件的考慮7．通信、數(shù)據(jù)采集上的低功耗建議在數(shù)據(jù)采集中，A/D轉(zhuǎn)換需要消耗功率，采集的速度越快，則消耗的功率越多，而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也越大，處理器需要花費(fèi)越多的時(shí)間來(lái)處理數(shù)據(jù)，從而功耗越大。因此數(shù)據(jù)采集時(shí)中盡量降低采集的速率。在通信模塊設(shè)計(jì)中，盡量地提高傳送的波特率（每秒鐘串行口傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)）。提高通信速率，就意味著通信時(shí)間的縮短，因而減少了通信時(shí)高功耗的時(shí)間，降低了總的功耗。同理，在使用WiFi通信時(shí)，應(yīng)多使用突發(fā)（burst）模式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以縮短通信（特別是發(fā)送數(shù)據(jù)）的時(shí)間，便于WiFi設(shè)備盡快進(jìn)入空閑狀態(tài)。傳感器網(wǎng)絡(luò)中，此建議的形式稍微有所變化：減少網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的容量就能節(jié)省網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部處理所消耗的能量。因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該盡量減少通信數(shù)據(jù)量，而不是單純地縮短通信時(shí)間。8.2.2軟件的考慮8．外設(shè)通信和界面設(shè)計(jì)上的低功耗建議如果外設(shè)支持動(dòng)態(tài)電源調(diào)整，盡量用突發(fā)（burst）模式來(lái)訪問數(shù)據(jù)比如本來(lái)播放一個(gè)大小為2MB的視頻文件以每秒200KB讀數(shù)據(jù)的話需要10s的時(shí)間，但是如果在第一秒以2MB速率讀數(shù)據(jù)的話，后9秒相應(yīng)外設(shè)可以進(jìn)入休眠狀態(tài)。GUI如果不是一定需要用16位色就夠了，24位/32位色意味著更多的計(jì)算和內(nèi)存數(shù)據(jù)的搬移→更高的功耗8.2.2軟件的考慮9．建立電源感知的程序嵌入式系統(tǒng)（如MID、上網(wǎng)本等）的電源經(jīng)常在連接外接電源和未連接外接電源（即使用電池電源）狀態(tài)之間切換，這兩種電源狀態(tài)對(duì)軟件的功耗要求完全不同，前者對(duì)功耗不敏感，但多半也會(huì)要求性能優(yōu)先，而后者對(duì)功耗敏感，因此需要在性能和功耗之間進(jìn)行平衡。對(duì)此，應(yīng)用程序應(yīng)當(dāng)檢測(cè)出設(shè)備當(dāng)前使用電源的類型，做出與電源相關(guān)變化相適應(yīng)的調(diào)整，即達(dá)到電源感知（power-aware）的效果。此外電源管理中存在一些潛在的可能會(huì)影響軟件行為的因素，如設(shè)備電池低于特定閾值時(shí)轉(zhuǎn)入關(guān)閉狀態(tài)，以及自動(dòng)休眠等。應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮這些電源管理事件帶來(lái)的環(huán)境變化，重視這些因素給運(yùn)行可能帶來(lái)的影響，做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)，這就達(dá)到某種電源管理感知的效果。例如，應(yīng)用正在進(jìn)行耗時(shí)的運(yùn)算（如冗長(zhǎng)的浮點(diǎn)運(yùn)算、查詢循環(huán)系統(tǒng)、復(fù)雜的圖形重現(xiàn)等），就可能被這些電源管理事件所中斷或暫停，作為應(yīng)對(duì)措施之一是需要及時(shí)地保存現(xiàn)場(chǎng)，在環(huán)境允許時(shí)，及時(shí)從中斷狀態(tài)中恢復(fù)。此外還可以針對(duì)電源進(jìn)行某種防御性編程。如提前考慮到用戶將會(huì)啟動(dòng)的任務(wù)（例如，播放電影）。提前確定是否有足夠的電池電量來(lái)完成該任務(wù)，并且如果根據(jù)電池電量的當(dāng)前狀態(tài)不能成功完成，則要在任務(wù)啟動(dòng)時(shí)向用戶報(bào)警。程序通過多種可能的方式開來(lái)讀取電源的狀態(tài)，來(lái)決定程序應(yīng)該采取的行動(dòng)。8.2.3硬件的設(shè)計(jì)使用低功耗工藝的器件改善芯片的電路設(shè)計(jì)和制造工藝，是一種在物理級(jí)別上獲得節(jié)能效果的技術(shù)。如：SoI（絕緣體上硅結(jié)構(gòu)），High-K（高介電常數(shù)）等。在保證吞吐率的情況下，降低總線寬度總線越寬，需要驅(qū)動(dòng)的信號(hào)越多，功耗越大盡量選用低電壓版本的器件例如：1.8vMobileDDRSDRAMvs2.5V標(biāo)準(zhǔn)DDRSDRAM8.2.3硬件的設(shè)計(jì)節(jié)能的電路設(shè)計(jì)和制造工藝?yán)悠渲兄皇遣捎贸碗妷海║ltraLowVoltage，ULV）技術(shù)的處理器。ULV系列處理器一方面降低處理器核心電壓，另一方面有選擇地縮減處理器的核心數(shù)量甚至尺寸，從而從硬件上（物理上）實(shí)現(xiàn)功耗的控制。此外，與ULV處理器類似，45納米制造工藝也是從硬件層面上降低處理器的功耗，只不過其技術(shù)涉及面更廣一點(diǎn)?？傮w來(lái)說，45納米制造工藝能將處理器內(nèi)部晶體管間的切換功耗降低近30%，將晶體管切換速度提高20%，而減少柵極漏電流10倍以上，源極向漏極的漏電流5倍以上。這就為芯片帶來(lái)更低的功耗和更持久的電池續(xù)航時(shí)間，同時(shí)擁有更多的晶體管數(shù)目以及更小尺寸。IntelAtom就采用了45納米制造工藝節(jié)能技術(shù)。隨著制造工藝的發(fā)展，制造精度的進(jìn)一步提升，芯片在其尺寸越來(lái)越小的同時(shí)，其物理功耗也就越來(lái)越低。8.3Moblin的功耗控制技術(shù)Moblin作為基于IntelAtom的軟件平臺(tái)，其突出的特點(diǎn)之一是對(duì)低功耗的重視和支持。Moblin功耗控制和管理包括了多個(gè)方面的技術(shù)和組成部分，這些組件實(shí)現(xiàn)的層次不同，有的集成在Linux內(nèi)核中，如TicklessIdle；有的作為Moblin基礎(chǔ)層的一個(gè)模塊出現(xiàn)，如設(shè)備和總線功耗管理；有的則以工具的形式出現(xiàn)，如PowerTOP、BLTK等。這些組件大部分不是Moblin所特有的，如TicklessIdle技術(shù)已應(yīng)用于當(dāng)前各種Linux中，很多Linux也配備了BLTK。8.3Moblin的功耗控制技術(shù)

下面我們其中幾個(gè)組件重點(diǎn)介紹一下：1．TicklessIdle無(wú)滴答空閑（TicklessIdle），有的翻譯成“非固定頻率”、“沒有空循環(huán)”等，是一種用在Linux內(nèi)核中用以提高功耗節(jié)省能力的技術(shù)。傳統(tǒng)的Linux內(nèi)核對(duì)處理器使用一個(gè)周期定時(shí)器，來(lái)記錄系統(tǒng)狀態(tài)，調(diào)度負(fù)載平衡、維持各種處理器定時(shí)器事件等。早期的定時(shí)器頻率一般是100Hz，而新內(nèi)核則使用250Hz或1000Hz。然而，當(dāng)處理器空閑時(shí)，這些周期定時(shí)事件卻消耗著大量