分析嵌入式系統最佳化電源設計關鍵
- DIGITIMES企劃
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前言：想讓嵌入系統達到效能與節能2個看似互斥的目的，其系統架構設計所需面臨的挑戰相當多，其中尤以電源管理的技術影響最為明顯！這裡談的電源管理可不是僅止於螢幕保護程式這種低階節能設計，而是從電源來源、系統主控晶片、電源管理機制…等重點進行分析，若能再因應使用環境條件進行最佳化設計，才能將嵌入式系統的效能發揮極限…
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嵌入式系統開發，從單純的機電控制一路走到現今隨處可見的應用盛況，除了其可用低於整機電腦的成本實現所需運算功能，更擁有低成本、小空間…等絕佳優勢，尤其近來討論越來越熱門的節能減碳議題，更是導入嵌入式系統的優勢之一，為讓系統發揮應用效能極大化，嵌入式系統的電源規劃，更是設計必須考量的重點。
嵌入式系統的應用場合相當多，小至小家電、影音視聽裝置，大到工廠自動化控制，都看得到嵌入式系統的影子，而其中嵌入式系統賴以穩定的核心關鍵，就是電源系統的規劃與設計。一般PC應用場合，其設計觀多會以「效能」為優先，至於系統整體消耗多少電能，這並不在設計過程必須思考的問題，這也是為什麼PC電源供應器動輒1,000W水準的結果。在嵌入式系統設計中，電源配置的觀念卻相對重要，也不能如同PC無節制的使用電能，但設計的觀點不應擺在「節約」電能，而是讓整體系統發揮最佳化的電力應用考量出發。
針對使用模式進行電源最佳化設計
以手機類的嵌入式系統為例，電力來源極大部分來自電池，設計目標即可放在如何讓系統發揮最長待機時間，這時省電模式的電源配置就相當重要。以智慧型手機常用的ARM核心相關整合晶片為例，在手機平台上，其實真正大量消耗電能的零組件並不是LCD螢幕，因為新一代LCD電力消耗並不高，搭配LED背光與測光模組搭配，甚至關掉背光使用狀態下，消耗電力並不大。觀察ARM手機平台，會發現真正大量消耗電能的元件，反而是CPU與DRAM。
而如同手機這類嵌入式系統平台，若真想達到省電效益，就必須從CPU與DRAM著手。一般常見設計都有幾種省電模式搭配，如針對一般應用的正常模式，此模式在應付一般性的手機操作，與通話、簡訊操作基本功能，另外則是較能展現省電效能的Standby與Suspend 2個模式。Standby為一般手機維持基本通訊在線狀態的最低需求，因為此狀態不須處理螢幕顯示與數據運算，可在此階段關閉部份元件電力供應，或是將CPU效能降低；Suspend為俗稱的Sleep模式，也有人稱作「冬眠」，是最省電的電力配置。
Standby省電模式開發重點
在嵌入式系統中，Standby算是最容易實現的省電設計，Standby多數狀況只是關閉嵌入式系統的周邊，讓整體耗電變得稍微低一點，而CPU和DRAM仍處於運行狀態，可關閉的周邊常見的有Wi-Fi無線網路卡…等，這時的設計考量應該是檢視嵌入式系統的所有周邊I/O Port配置，因為嵌入式系統主機板不會知道系統接續了哪些周邊，設計者必須指定關掉某些I/O埠，因為即便周邊關閉I/O Port仍會耗電，這些細節都必須一一考慮。
相對Standby，Suspend模式不僅節省電能的程度更為顯著，設計內容也相對更為複雜與困難，尤其是Suspend在進入與離開後，能否讓嵌入式系統穩定回復，則是此省電模式的設計關鍵。以ARM7的Suspend模式規劃，Clock是完全關閉、且CPU也是處於關閉狀態，所以處理器是完全不耗用電能。先前也提過系統耗電元兇還有DRAM，但DRAM須藉由不斷的持續供電維持儲存資訊，這時的系統設計就必須針對記憶體的電力配置進行全盤考量。
深入理解硬體配置 規劃穩定喚醒機制
再者，規劃嵌入式系統還必須理解硬體設計的運作邏輯。例如，當ARM進入Suspend，這表示處理器處於Off狀態，那記憶體部份的Suspend程序進入與資料取回，就會出現困難。一般的做法是將進行Suspend程序的程式先擺在Cache內，由於處理器內的Cache會與處理器同時關閉，這時即便是儲存程式碼的記憶體先行關閉，也不會影響Suspend程序進行。至於Suspend過程中，程式也必須針對恢復系統必備的資料，預先寫入處理器的各個暫存器中，預先載入資料可以避免記憶體還未完成喚醒，而處理去卻去抓了不存在的資料，反而會因此造成系統死當。
而Suspend狀態下喚醒系統，能否順利完成的關鍵，則在於系統的各個細節能否全盤掌控？例如，多數喚醒方式是採電源鍵長按執行此功能，不管是電源直接開？關或是長按，嵌入式系統都會回到系統程式碼進行處理，此部份設計就必須針對喚醒或是一般開機按鍵，設置系統狀態判斷，讓系統自動區別此時是一般電源開機還是Suspend喚醒。當電源按鍵為Suspend狀態時，系統必須依序恢復記憶體Suspend前的狀態，再載入處理器Suspend狀態恢復必要的暫存器資料，此部份的執行順序相當關鍵，必須照著標準程序一步步逐項完成，因為只要其中一個環節出錯，系統就無法順利喚醒。
針對實際設計微調省電規劃
再來看嵌入式系統的開發專案，研發階段多半是採功能板、系統裸板進行相關功能開發，在此階段多數將研發重心放在實現相關功能與系統除錯，反而忽略整體散熱的規劃配置，雖說嵌入式系統所使用的零組件多數具備較高的環境耐受能力，或是相對比較不會發熱，但畢竟終端產品勢必會加上機殼與相關機構設計，此時的散熱條件勢必更嚴苛許多。
在實際商品化設計部份，還必須針對系統整體電源應用，規劃主？被動散熱配置，例如，針對部份零件加強散熱或隔熱，或是在機構中增設散熱風扇？而風扇這類高耗能零組件的電力規劃，也必須與整體嵌入式系統的電能規劃一併考量。
