ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.01.2026
Просмотров: 179
Скачиваний: 0
2.1 Программные способы снижения энергопотребления и увеличения производительности
Программные способы направлены, главным образом, на снижение вычислительной нагрузки на микроконтроллер, что дает возможность использовать кристаллы с небольшой вычислительной мощностью, но с гораздо меньшим потреблением энергии. К таким способам снижения нагрузки можно отнести несколько путей, один из них – применение специфичной математики. Многие микроконтроллеры не имеют на кристалле модуля для работы с числами с плавающей точкой, поэтому любые операции с дробными числами занимают продолжительное время. В большинстве случаев можно обойтись целочисленными операциями, значительно снизив вычислительную нагрузку и скорость выполнения программы. Также ускорить работу программы можно, учитывая разрядность ядра процессора: на 8-битных микроконтроллерах операции с числами большой разрядности будут выполняться гораздо дольше, нежели на 32-битных, поэтому их применения следует по возможности избегать. Еще одним путем увеличения скорости и эффективности работы программы является переписывание критичных участков кода на ассемблере. Однако эта мера ставит крест на кроссплатформенности получившихся приложений и усложняет понимание программы, поэтому этот способ довольно спорен.
2.2 Архитектурные способы снижения энергопотребления и увеличения производительности.
Архитектурные способы снижения энергопотребления и увеличения производительности применяются самими разработчиками микроконтроллеров. Следует отметить, что увеличение производительности, как это ни парадоксально, тоже помогает снизить энергопотребление в определенных случаях. Ведь чем выше производительность микроконтроллера, тем быстрее он выполнит все необходимые вычисления и перейдет в режим энергосбережения. Различные режимы энергосбережения – ключевой способ снижения потребления микроконтроллеров, поскольку он позволяет отключать неиспользуемую периферию и снижать тактовую частоту ядра, позволяя на порядки снизить потребление энергии. Если построить программу так, чтобы микроконтроллер быстро выполнял все необходимые вычисления и как можно дольше после этого был в спящем режиме – срок службы от аккумулятора увеличится в десятки раз.
К архитектурным способам снижения энергопотребления относится и отключение неиспользуемых узлов кристалла: очень редко требуется работа всех периферийных устройств одновременно. Отключение неиспользуемой периферии позволяет в разы снизить потребление энергии.
Большие надежды на сегодняшний день возлагаются на применение новых типов памяти в микроконтроллерах: сегнетоэлектрическая память (FRAM) потребляет на порядок меньше энергии и обеспечивает в разы большее быстродействие, нежели традиционная Flash память, используемая для хранения программы.
2.3 Перспективные направления решения проблемы
Последним рассматриваемым способом снижения энергопотребления и увеличения производительности является применение принципиально новых вычислителей. Примером такого вычислителя может служить российская разработка – процессоры мультиклет, которые состоят из нескольких равноправных вычислителей, работающих независимо друг от друга. Выход из строя или отключение одного из вычислителей не приведет к сбою системы: нагрузка будет распределена между оставшимися вычислителями. Также перспективным направлением являются микроконтроллеры с вычислителем на основе нейронных сетей, так как в некоторых областях нейронные сети позволяют решать задачи гораздо эффективнее и быстрее. Пожалуй, самыми разнообразными из всех путей повышения энергоэффективности микроконтроллерных систем являются схемотехнические способы.
Так же, как и на архитектурном уровне, одной из возможностей снижения энергопотребления системы является отключение ее компонентов. Как правило, датчики, память, кодеки и другие компоненты схемы используются только в определенные моменты времени, что дает возможность существенно выиграть в потреблении, полностью отключая их.
Для этого у многих микросхем есть режим «Power down», в котором потребление энергии значительно уменьшено. Для экономии энергии также целесообразно отключать неиспользуемые порты ввода-вывода микроконтроллеров, экономя драгоценные миллиамперы.
Поскольку
зачастую портативные устройства для
связи с внешним миром используют
какие-либо беспроводные коммуникации,
сэкономить энергию можно и здесь.
Некоторые беспроводные интерфейсы
специально разрабатывались для приложений
с батарейным питанием, к примеру, ZigBee,
Bluetooth 4.0LE. Особенностью таких интерфейсов
является то, что 
приемопередатчики
включаются лишь на короткие промежутки
времени, а большую часть времени
беспроводная связь находится в выключенном
состоянии. Применение таких оптимизированных
средств связи позволит сохранить энергию
батареи.
2.4 Схемотехнические методы оптимизации
Схемотехнические методы оптимизации также применимы и к самому источнику питания –аккумуляторной батарее. Если рабочее напряжение схемы отличается от ЭДС батареи, то необходимо будет преобразовывать напряжение питания, а это приведет к потерям энергии. В этой связи многие современные микросхемы могут работать в широком диапазоне питающих напряжений: от 2,7 до 5 вольт, а некоторые специальные образцы могут работать при снижении напряжения питания до 0,7 вольт. Логично в таких случаях применение литий-ионных или литий-полимерных источников питания, ЭДС которых лежит в диапазоне 3,6–4,2 вольт. Прямое питание схемы от батарей позволяет сберечь энергию, отказавшись от преобразователей и стабилизаторов.
Немаловажную роль при выборе источника питания играет саморазряд элементов, который в некоторых случаях может превысить собственное энергопотребление схемы. Многие аккумуляторные батареи, в частности, уже упомянутые литий-ионные, теряют в месяц до 20% заряда, что не позволяет применять их в устройствах, которые предназначены для работы от одной зарядки более года. Для таких применений можно воспользоваться специальными аккумуляторами типа никель-металлгидридных NiMH-LSD (Low Self Discharge), или литиево-железных батарей. Такие батареи могут хранить заряд до 10 лет.
Большинство
современных микросхем основано на
КМОП-технологии, для которой характерна
прямая зависимость между величиной
напряжения питания и токопотреблением.
То есть, снижая напряжение питания
схемы, 
можно
снизить ее энергопотребление. С этой
особенностью связаны несколько способов
снижения потребляемой мощности, к
примеру, различное напряжение питания
вычислительного ядра (порядка 1,8 вольт)
и периферии (3,3 вольт), как в микроконтроллерах
на ядре ARM7. Однако следует помнить, что
при снижении напряжения питания снижается
максимально возможная тактовая частота
микросхем. Поэтому есть смысл динамически
менять напряжение питания вместе с
тактовой частотой:
если микроконтроллер
нагружен слабо, то напряжение питания
и тактовая частота программно снижается.
При увеличении вычислительной нагрузки
напряжение питания увеличивается, что
дает возможность поднять тактовую
частоту. Схематично этот способ показан
на рисунке 1.
В персональных компьютерах такая технология получила название DVS (Dynamic Voltage Scaling) – динамическое изменение напряжения. В микроконтроллерах эта технология пока большого распространения не получила, в основном из-за сложности регулирования напряжения питания в условиях пониженного потребления схемы.
Рисунок 1- Динамическое управление напряжением питания
В таблице 1 представлены сравнительные характеристики некоторых популярных современных микроконтроллеров в контексте минимального потребления энергии.
Таблица
1-
Сравнение
энергопотребления микроконтроллеров
Как видно из таблицы, наиболее эффективными в области минимума потребления энергии являются микроконтроллеры PIC фирмы Microchip, однако следует учитывать, что на этих микроконтроллерах практически полностью отсутствует периферия и ядро у них 8-разрядное. Таблица хорошо иллюстрирует тот факт, что за все аппаратные и программные средства увеличения вычислительной мощности приходится платить увеличением энергопотребления.
ВЫВОД
В качестве вывода стоит отметить, что в каждом конкретном случае задача обеспечения минимума потребления энергии имеет свои особенности, и создать действительно энергоэффективную систему можно только комплексно подойдя к задаче, применив рассмотренные выше программные, архитектурные и схемотехнические способы снижения энергопотребления.
СПИСОК
ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ
-
Е. Н. Талицкий Оптимизация параметров конструкций и техпроцессов производства электронных: метод. указания к лаб. работам / Владим. гос. ун-т.; Изд-во Владим. гос. ун-та, 2009. – 32 с.
-
Савельев АЛ., Овчинников В А. Конструирование ЭВМ и систем: учеб. для вузов / А.Я. Савельев, В.А. Овчинников. — М.: Высшая школа, 1984. — 248 с.
-
Алексеев О.В. Автоматизация проектирования радиоэлектронных средств: учеб. пособие для вузов / О.В.Алексеев, А. А. Головков, И. Ю. Пивоваров и др.; под ред. О.В. Алексеева. — М.: Высшая школа, 2000. — 479 с.
-
Агуров, П.В. Интерфейс USB. Практика использования и программирования /П.В. Агуров. – 2-е изд. – СПб.: BHV, 2008. ‒ 256 с.