嵌入式系统的低功耗设计技术研究

论文摘要

随着嵌入式系统在体积和性能方面的不断提高,体积小、性能高与电池能量有限之间的矛盾日益突出,嵌入式系统低功耗设计技术是解决这一矛盾的有效手段。低功耗技术包括硬件和软件两个方面。硬件低功耗技术包括处理器低功耗技术、存储器低功耗技术、时钟低功耗技术以及A/D低功耗技术。软件低功耗技术分为设备调度策略和动态电源管理技术。设备调度策略包括在线设备调度策略和基于调度能耗/任务截止期的设备调度策略;动态电源管理技术分为timeout技术、预测技术和随机技术。为了解决复杂嵌入式系统的低功耗设计,提出了一种新的动态电源管理技术——基于双重预测模型的动态电源管理技术。在该策略中,建立了以BP神经网络和ALT(Adaptive Learning Tree)算法为基础的双重预测模型,预测系统的下一个空闲时间和任务;根据预测结果,以实现最低功耗为原则对整个嵌入式系统的资源进行管理。实验结果表明:与其他策略相比,该策略能够进一步降低系统的平均功耗,而且适用性更加广泛。最后实现了车载嵌入式系统低功耗设计。在硬件低功耗设计中主要进行了低功耗电源设计和供电电路设计;基于功能之间的不确定性和功能内任务之间的确定性,软件低功耗设计采用了分层设计技术:在功能级采用基于双重预测模型的动态电源管理技术,在任务级采用了设备调度策略。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 引言
• 1.1 研究目的
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 功耗
• 1.2.2 低功耗设计技术
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 拟解决的问题
• 1.3.2 预期效果
• 1.4 课题来源和论文结构
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 论文结构
• 第二章 硬件低功耗设计技术
• 2.1 处理器的低功耗设计技术
• 2.1.1 处理器工作模式
• 2.1.2 处理器低功耗技术
• 2.2 存储器的低功耗设计技术
• 2.2.1 SRAM的低功耗设计技术
• 2.2.2 Register File的低功耗设计技术
• 2.2.3 Cache的低功耗设计技术
• 2.2.4 MMU的低功耗设计技术
• 2.3 时钟的低功耗设计技术
• 2.3.1 时钟模型
• 2.3.2 动态时钟管理技术
• 2.4 A/D模块的低功耗设计技术
• 2.4.1 A/D模块的电源管理模型
• 2.4.2 A/D模块的低功耗设计技术
• 第三章 软件低功耗设计技术
• 3.1 设备调度策略
• 3.1.1 在线设备调度策略
• 3.1.2 基于调度能耗/任务截止期的设备调度策略
• 3.2 动态电源管理技术
• 3.2.1 Time out技术
• 3.2.2 预测技术
• 3.2.3 随机控制技术
• 第四章 基于双重预测模型的动态电源管理技术
• 4.1 问题描述
• 4.2 双重预测模型
• 4.2.1 BP神经网络
• 4.2.2 ALT算法
• 4.3 控制策略
• 4.3.1 低功耗时间阀值的确定
• 4.3.2 控制过程
• 4.4 实验与结论
• 4.4.1 DPDPM策略的适用性
• 4.4.2 DPDPM策略与PCF策略的性能比较
• 第五章 车载嵌入式系统的低功耗设计
• 5.1 低功耗电源设计
• 5.1.1 设计要求
• 5.1.2 硬件设计
• 5.1.3 软件设计
• 5.2 供电电路设计
• 5.2.1 外设供电要求
• 5.2.2 5V供电电路设计
• 5.2.3 3.3V供电电路设计
• 5.2.4 3.8V供电电路设计
• 5.2.5 3.0V供电电路设计
• 5.3 基于任务的设备调度技术设计
• 5.3.1 系统功能描述
• 5.3.2 功能-任务-设备对应关系
• 5.3.3 设备调度的设计与实现
• 5.4 基于功能的动态电源管理技术设计
• 5.4.1 系统描述
• 5.4.2 任务与功能的功耗计算
• 5.4.3 低功耗阀值计算
• 5.4.4 控制策略执行
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 附录