嵌入式系統低功耗技術的研究和應用

【文章摘要】

嵌入式系統是面向應用的結合多方面技術知識的現代科學，在工業企業、電子設備、過程控制等方面得到了廣泛應用。在追求節能的今天，對嵌入式系統的低功耗技術的探究是發展路上不可回避的問題，本文主要以如何從硬件和軟件角度分析研究使得系統整體的耗能性大幅下降為切入點進行探討。

【關鍵詞】

嵌入式系統；低功耗技術；研究；應用

嵌入式系統是面向系統、面向應用的多學科交叉的科學，集成多方面科技、現代計算機技術、現代管理方法和手段的知識密集型系統，具有包容性、綜合性和科學性，其中涵蓋了計算機技術、通信技術、半導體等先進的技術的技術密集型綜合系統。

近年來信息化、知識化、技術化的發展使得嵌入式系統也隨之迎來發展的廣闊前景，在網絡化、數字化日益普及的今天，嵌入式系統的發展也將在知識和技術大潮中擁有不可限量的未來前景。而如何在數字化科技高速發展的今天使嵌入式技術發展異軍突起，則需要的是不斷的創新和結合當下需求與社會環境。與此同時，隨著能源日益耗竭，綠色環保意識在大眾的普及，耗能類技術的發展受到嚴峻挑戰。這就需要嵌入式系統的發展面向低功耗技術。

1 嵌入式系統

與傳統意義中的計算機系統不同， 由于有計算機功能但卻又非 PC 系統，使得嵌入式系統面對具體應用功能時更加靈活，軟件、硬件要求相較于計算機皆更加靈活自如。嵌入式系統是針對特定運用的，融合多方面先進技術，面向控制、監測等過程輔助專用系統。典型的嵌入式系統包括四部分，分別是嵌入式微處理器、嵌入式操作系統、外圍設備和用戶應用軟件。嵌入式微處理器以小芯片集成許多功能處理，從而大大提高了系統的效率和可靠性。嵌入式操作系統負責系統的內在控制和分配任務。外圍設備和用戶應用軟件屬于硬件設備。

2 嵌入式系統低功耗技術的研究

2.1 嵌入式系統低功耗技術的發展背景

高科技技術和人類經濟的飛速發展， 引起了一系列資源的大量消耗，能源的枯竭使得所有高能耗技術都要在追求經濟效益，普及日常生活，創新科技的同時更要注意能源消耗以謀求長遠可持續發展。在全球追求技術低功耗的同時，嵌入式低功耗的發展探索順應全球綠色環保理念，也能更好地融入全球化競爭與交流。另一方面，運用創新思想理念探索追求嵌入式系統的低功耗技術有利于追求自身經濟效益的最大化，把降低成本作為競爭優勢，進一步通過低能耗作為銷售優勢。

2.2 嵌入式系統低功耗的技術基礎

嵌入式系統包括嵌入式硬件和嵌入式軟件兩大部分，嵌入式系統的功耗也包含嵌入式微處理器和外圍設備，嵌入式操作系統和用戶應用軟件兩個層次的低功耗技術探究。

對硬件部分的低功耗技術追求主要是在制作材料、創新工藝、電池等部分，制作材料的低功耗受限于材料的更新換代，外界影響程度較大。創新工藝的低功耗技術在技術已經較為成熟的今天進步空間不大。而電池部分，在追求硬件低功耗探究中占很大比例，尤其對于移動設備而言，待電時間的長短直接影響系統的優劣。如何研究生產出具有儲電能力強，耗電量小，待電時間長的電池成為硬件部分低功耗探索的主要部分。嵌入式微處理器在使用時配合輔助主板，只保留和嵌入式應用有關的主板功能而摒棄其余多余冗雜的部分。嵌入式微處理器的發展大大提高了低功耗效率，體積的減小結合功能的集成很大程度上促進了低功耗技術的發展。

軟件部分，嵌入式操作系統的低功耗體現在算法級等進行功耗優化等部分，減少整個系統的消耗為系統發展提供可能性。

2.3 嵌入式系統低功耗的創新要求

隨著嵌入式系統的發展，對嵌入式系統低功耗技術也提出了進一步相應的創新要求。如何進一步降低硬件的使用材料，節約資源，更新工藝，用最小的能源消耗獲得最大的效益，如何在電池部分獲得技術進步，如何改進算法編程，精簡系統內部結構，使得硬件軟件有機結合從而構成低功耗系統是人們探索的方向。

3 嵌入式系統低功耗技術的應用

在信息化、知識化、技術化、網絡化的信息時代，多學科、多方面知識相結合的技術密集型嵌入式系統在日常生活中獲得廣泛應用，并在可預見的未來將獲得更大的應用空間。

嵌入式系統低功耗技術包括硬件方面的應用和軟件方面的應用，其中硬件應用是系統應用的基礎，硬件的低功耗技術相對發展較早，軟件應用是系統應用的核心，也是重要組成部分，軟件方面的低功耗技術開發可以很大程度上降低整個系統的能源消耗，從而從根本上達到低功耗的效果。

3.1 硬件低功耗技術的應用

嵌入式系統硬件包括外圍設備和嵌入式微處理器，這一部分的低功耗技術的開發與運用已經達到一定水平，在日常生活、電子商務、工業控制等方面的應用較為廣泛，除非尋找新的硬件開發方式，一般開發空間不大。要降低嵌入式系統的硬件消耗，就要從根本上選擇低能耗的組成部分。如，以ARM 微處理器為代表，它集合了高性能、強綜合性、體積小、耗能小等優點，現已廣泛應用于許多電子產品，尤其是各種移動設備中。ARM 的這些優良特性成為許多以低功耗為目標的硬件發展方向。

3.2 軟件低功耗技術的應用

軟件部分的低功耗研究以優化嵌入式操作系統，優化功耗管理策略，完善算法和編程為主要方式。嵌入式操作系統是嵌入式系統的核心，其低功耗技術應用重要性不可忽略。如何使系統各個部分整體達到低功耗效果最大有賴于嵌入式操作系統的分配控制。而提高效率需要系統在每個需要工作的部分正常耗能，而暫時不工作的部分盡量處于節能狀態，這需要軟件設計者的進一步開發。

4 總結

信息技術的廣泛應用和能源的日益消耗使嵌入式系統面臨著發展進步的巨大空間，同時也是巨大的挑戰，只有發展面向節能才能使嵌入式系統的開發、應用更加普及。本文從對嵌入式系統發展背景、技術基礎和創新要求三方面闡述了嵌入式系統的低功耗技術方面的研究探索，針對嵌入式系統的硬件（嵌入式微處理器和外圍設備）和軟件（嵌入式操作系統和用戶應用軟件）兩部分分別闡述了面向低功耗技術的應用。

【參考文獻】

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