市場(chǎng)對(duì)高性能和新特色產(chǎn)品的持續(xù)需求給便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)為員出了種種難題。在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，低功耗設(shè)計(jì)（Low-Power Design）是許多設(shè)計(jì)人員必須面對(duì)的問(wèn)題，其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品中去，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往是靠電池來(lái)供電，所以設(shè)計(jì)人員從每一個(gè)細(xì)節(jié)來(lái)考慮降低功率消耗，從而盡可能地延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。事實(shí)上，從全局來(lái)考慮低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題。

　　通常，處理器是主要的功耗部件，盡管便攜設(shè)備的其他部件也消耗不少功率。例如在筆記本計(jì)算機(jī)中，磁盤驅(qū)動(dòng)、顯示和圖形電路與微處理器爭(zhēng)用可用電池功率。在通信設(shè)備中，其RF電路的功耗與基帶處理器的功耗不相上下。所以，做為設(shè)計(jì)工程師必須擬定功率預(yù)算，并確定不同特性的相對(duì)優(yōu)先次序。

　　在Intel公司出版的"Mobile Power Guidelines 2000"中，建議筆記本計(jì)算機(jī)功率預(yù)算分配5W給微型筆記本計(jì)算機(jī)的處理器，9.5W給全特性筆記本計(jì)算機(jī)的處理器（見(jiàn)表1）。兩種類型筆記本計(jì)算機(jī)都假定包含硬盤驅(qū)動(dòng)器，但只有較大型的才包含DVD驅(qū)動(dòng)器。同樣，微型筆記本計(jì)算機(jī)給顯示器分配的功紡較少。即使微處理器的效率不斷提高，處理器功率的顯著低通常也要對(duì)性能加以權(quán)衡。所以，對(duì)處理器性能的要求必須與對(duì)其他特性的要求加以平衡。

　　困難的相互比較

　　不同類型微處理器的額定功率是不同的，這是因?yàn)樗鼈冡槍?duì)不同的應(yīng)用。對(duì)于一給定的類型，不同的制造商也規(guī)定在不同條件下的額定功率。功率增加通常正比于工作負(fù)載。但是，其他類型的處理器在某一給定的時(shí)鐘頻率下執(zhí)行更多的指令或完成更多次的運(yùn)算。因此，有些廠商喜歡標(biāo)定每瓦功耗完成多少M(fèi)ips或MOPS.

　　遺憾的是，廠家兜售的數(shù)值大多并沒(méi)有給為們所需的信息。人們希望知道在特定應(yīng)用中在正常工作條件下的功耗。很多微處理器廠商給出在空載條件下的功率，而不是峰值性能。的辦法是標(biāo)定一種很近似于實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)測(cè)試。因此，針對(duì)微型筆記本計(jì)算機(jī)應(yīng)用的帶L2高速緩存的Mobile Pentium II處理器的峰值功率為6W、休眠功率為0.36W、平均3-D WinBench 功率為5W.

　　降低功耗的一個(gè)方法是在處理器芯片中增加更多外設(shè)元件，以避免需要功耗的線路驅(qū)動(dòng)器。由于避免了寄生電感和電容，這種方法也有助于改進(jìn)整機(jī)性能。當(dāng)然，增加電路元件仍將會(huì)增加芯片的總功耗。

　　性能提高

　　為通用PC和工作站而設(shè)計(jì)的Interlx86和Pentium 微處理器總是需要較大的功率，這是因?yàn)槠浯蟮闹噶钕到y(tǒng)和復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)所致?，F(xiàn)在Interl提供Celeron和Pentium II處理器的移動(dòng)型。移動(dòng)型Celeron的時(shí)鐘頻率高達(dá)366MHz,而移動(dòng)型433MHz型今年每三季度推出。Interl今年底將推出"Copper-mine"Pentium III的移動(dòng)型，工作在600MHz以上。

　　Pentium是英特爾的第五代x86架構(gòu)之微處理器，于1993年3月22日開(kāi)始出貨，是486產(chǎn)品線的后代。Pentium本應(yīng)命名為80586或 i586,后來(lái)命名為"Pentium"（通常認(rèn)為"pentium"是希臘文"五（penta）"加拉丁文中代表名詞的接尾語(yǔ)"ium"的造詞），是因?yàn)榘⒗當(dāng)?shù)字無(wú)法被用作注冊(cè)商標(biāo)。i586被使用在英特爾競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手所制造的類80586的微處理器。

　　所的Interl 移動(dòng)型微處理器現(xiàn)在都采用PGA（引腳網(wǎng)格陣列）插座。原來(lái)Celeron處理器為了降低成本不包含L2高速緩存，而而在包含128kB片上L2高速緩存，而Pentium II和Pentium III的L2為256 kB.當(dāng)然，現(xiàn)在所有處理器都包含32 kB L1高速緩存。Celeron型在Intel 的移動(dòng)型處理器中功耗。由于移動(dòng)型Celeron的"Quick Start"能節(jié)特性，便利處理器的空載功率只有0.4W,而采用MMX技術(shù)的Pentium處理器功率為1.1W.

　　通常，較新的處理器比其原先的型號(hào)具有更高的功效。使用片上L2高速緩存既提高了性能又在實(shí)際上降低了功耗（與使用同樣大小的外部L2高速緩存相同）。同樣，并行處理技術(shù)是既提高性能又不大幅增加功耗的有效方法。除超標(biāo)量和超流水線硬件結(jié)構(gòu)外，Intel 的新芯片包括用于特殊多媒體指令的SIMD（單指令，多數(shù)據(jù)）處理技術(shù)。大多數(shù)高性能微處理器現(xiàn)在采用0.25μm工藝，而下一代將用0.18μm.所以功率/性能比繼續(xù)下降。

　　圖1示出Hitachi公司RISC微處理器猛增的性能與功率關(guān)系。SuperH 家族的RISC微處理具有1000Mips/W,每瓦的性能是3年前早期型號(hào)的5倍。Hitachi公司希望將來(lái)的RISC處理器達(dá)到2000Mips/W.除具有更快的處理速度外，SH-4系列中新的32位RISC芯片包含一個(gè)PCI（2.1版本）接口以避免I/O性能瓶頸。

　　更激烈的競(jìng)爭(zhēng)

　　除了更高的電路密度和吸引人的移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)外，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力是迫使Intel 公司大幅降低它的微處理器功耗和成本的另一因素。有些參與競(jìng)爭(zhēng)的公司（如AMD）經(jīng)慎重考慮已瞄準(zhǔn)移動(dòng)應(yīng)用。近市場(chǎng)指出，今年4月份AMD的市場(chǎng)份額為44%,Intel為51%,而18個(gè)月以前Intel在同一移動(dòng)型處理器市場(chǎng)的份額超過(guò)99%.

　　在處理器型號(hào)方面，AMD的移動(dòng)型K6-2現(xiàn)在是市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品，這要?dú)w功于Toshiba和Compaq公司在流行的筆記本計(jì)算機(jī)中采用它。AMD的處理器的功耗與Intel的類似處理器的功耗相當(dāng)。例如，具有"3DNOW"技術(shù)的AMD移動(dòng)型K6-2-P處理器功耗在典型應(yīng)用中小于12W.而AMD的移動(dòng)型處理器的處理速度比Intel的更高。例如，AMD的移動(dòng)型K6-2的頻率為380MHz,而Intel的移動(dòng)型Celeron和移動(dòng)型Pentium II 的頻率只有366MHz.盡管Intel現(xiàn)在有400MHz的移動(dòng)型Petium II,而AMD也有400MHz K6-2-P和380MHz K6-III-P.

　　用于K6-III-P的AMD "TriLevel Cache",使其處理器家庭比Intel的移動(dòng)型處理器具有更高的性能。AMD芯片具有片上64KB L1高速緩存和片上256KB L2高速緩存。另外還有100MHz總線支持高達(dá)1MB的任選外部L3高速緩存。像K6-2-P一樣，K6-III-P在典型應(yīng)用中的功耗小于12W.

　　一個(gè)小公司Rise Technology公司以廉價(jià)、低功率并與X86兼容的處理器瞄準(zhǔn)1000美元以下的筆記本計(jì)算機(jī)市場(chǎng)。該公司的mp6家庭已用0.25μm工藝投入批量生產(chǎn)，時(shí)鐘頻率高達(dá)266MHz.現(xiàn)在Rise 公司正在推出時(shí)鐘頻率高達(dá)366MHz的0.18μm型的樣品。第二種0.18μm型（mp6 II）將于今年晚些時(shí)侯推出，其時(shí)鐘頻率高達(dá)466MHz.該公司聲稱，mp6和mp6 II的2V型與任何參與競(jìng)爭(zhēng)的處理器相比，其功耗是的，是其他移動(dòng)型處理器功耗的50%.在300MHz,Rise mp6 II的功耗典型值小于4.5W.

　　采用RISC

　　RISC（reduced instruction set computer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于80 年代的MIPS主機(jī)（即RISC 機(jī)），RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。這樣一來(lái)，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作（每秒執(zhí)行更多百萬(wàn)條指令，即MIPS）。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢

　　除了性能的改進(jìn)，RISC的一些優(yōu)點(diǎn)以及相關(guān)的設(shè)計(jì)改進(jìn)還有：如果一個(gè)新的微處理器其目標(biāo)之一是不那么復(fù)雜，那么其開(kāi)發(fā)與測(cè)試將會(huì)更快。使用微處理器指令的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序的程序員將會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用更小的指令集使得代碼開(kāi)發(fā)變得更加容易。RISC的簡(jiǎn)單使得在選擇如何使用微處理器上的空間時(shí)擁有更多的自由。 比起從前，語(yǔ)言編譯器能產(chǎn)生更有效的代碼，因?yàn)榫幾g器使用RISC機(jī)器上的更小的指令集。除了RISC,任何全指令集計(jì)算機(jī)都使用的是復(fù)雜指令集計(jì)算（CISC）。

　　大多數(shù)移動(dòng)應(yīng)用不采用Intel PC體系結(jié)構(gòu)。例如，Windows CE掌上計(jì)算機(jī)不用x86處理器，而用RISC處理器。PC體系結(jié)構(gòu)具有系統(tǒng)軟件等優(yōu)點(diǎn)。但x86微處理器幾乎從來(lái)不是有效利用電能的方案。所有的功率利用率記錄似乎都是由RISC處理器保持的。

　　RISC概念已經(jīng)引領(lǐng)了微處理器設(shè)計(jì)的一個(gè)更深層次的思索。設(shè)計(jì)中必須考慮到：指令應(yīng)該如何較好的映射到微處理器的時(shí)鐘速度上（理想情況下，一條指令應(yīng)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完）；體系結(jié)構(gòu)需要多"簡(jiǎn)單";以及在不訴諸于軟件的幫助下，微芯片本身能做多少工作等等。

　　Hitachi公司的新處理器采用0.18μm工藝技術(shù)，工作在低電壓。在1.5V,該處理器運(yùn)行在133MHz,需240mW功率；d 1.8V,運(yùn)行在167MHz,需要400mW.這與同樣性能的處理器相比，其電池壽命延長(zhǎng)70%.因?yàn)樘幚砥餍酒粋€(gè)66MHz PCI總線控制器，所以不需要外部PCI橋接芯片，減少了芯片數(shù)。

　　RISC芯核

　　RISC芯片的工作頻率一般在400MHZ數(shù)量級(jí)。時(shí)鐘頻率低，功率消耗少，溫升也少，機(jī)器不易發(fā)生故障和老化，提高了系統(tǒng)的可靠性。單一指令周期容納多部并行操作。在RISC微處理器發(fā)展過(guò)程中。曾產(chǎn)生了超長(zhǎng)指令字（VLIW）微處理器，它使用非常長(zhǎng)的指令組合，把許多條指令連在一起，以能并行執(zhí)行。VLIW處理器的基本模型是標(biāo)量代碼的執(zhí)行模型，使每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)有多個(gè)操作。有些RISC處理器中也采用少數(shù)VLIW指令來(lái)提高處理速度。Pentium 4微處理器體系結(jié)構(gòu)完全采用RISC體系結(jié)構(gòu)。

　　當(dāng)然，通過(guò)在一個(gè)定制的片上系統(tǒng)中使用一個(gè)芯核處理器可實(shí)現(xiàn)少的芯片數(shù)。ARM和MIPS Technologies 公司成功地設(shè)計(jì)出RISC芯核，并許可其他公司把它們用在實(shí)際的產(chǎn)品中。

　　當(dāng)然，NEC處理器包含比RISC更多的功能。完整的芯片也包括一個(gè)DSP型乘法和累加（MAC）指令，這可為便攜產(chǎn)品提供調(diào)制解調(diào)器性能。它也含用于中斷控制及DMA尋址和控制的電路。多達(dá)49個(gè)通用輸入/輸出引腳可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員編程，而功率管理部分提供4種節(jié)省功率的模式：全速、維持、暫停、休眠。

　　類似的處理器芯片VRC4171A可為手持產(chǎn)品增加彩色LCD圖形和PC卡控制。這種芯片工作在3.3V,典型的功耗為250mW.它的4個(gè)可編程GPIO引腳允許與外設(shè)通信。隨著便攜產(chǎn)品開(kāi)始包含彩色圖形顯示和其他多媒體特性，使得找到兼容的圖形芯片日益重要起來(lái)。

　　Media Q公司的MQ-200是一款用于消費(fèi)類電器的圖形和顯示芯片。128位圖形引擎和兩個(gè)板上圖形控制器共享1.2GB/s片上存儲(chǔ)器總線，總的圖形性能提高6位。這種芯片支持總功率預(yù)算小于4W的系統(tǒng)，而典型的筆記本計(jì)算機(jī)的功率預(yù)算是20W或更高。

　　高集成度

　　對(duì)于便攜設(shè)備，使芯片數(shù)少也將使體積、重量輕、成本和功耗少。在數(shù)字蜂窩電話中，芯核RISC處理器構(gòu)成一個(gè)高集成度子系統(tǒng)的一部分?；鶐Р糠忠话慵梢粋€(gè)RISC微控制器、一個(gè)低成本DSP、存儲(chǔ)器、鍵盤和屏控制器以及連接邏輯（見(jiàn)圖2）。因?yàn)樗梢栽诘偷碾妷合鹿ぷ鳎云洗鎯?chǔ)器往往比片外存儲(chǔ)器消耗更少的功率。ROM的功耗也小于SRAM.在可能的情況下，使用空載模式可節(jié)省功率。通常，片上必須包含一個(gè)鎖相環(huán)，以便為DSP提供時(shí)鐘信號(hào)。

　　在某些應(yīng)用中處理器可由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)而不是由固定頻率時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。因此，只有當(dāng)處理器實(shí)際工作時(shí)才消耗功率。Sharp公司的DDMP就是這種實(shí)例。由于這種芯片缺乏一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，所以被人們接受非常有限。Sharp現(xiàn)在計(jì)劃把DDMP改為可重新配置的并行處理器芯核。

　　ARC Cores和Tensilica是兩家提供可配置的嵌入式處理器的公司?？膳渲眯竞瞬捎枚ㄖ浦噶钍构摹２迦胍环N定制指令使一高冗余的噪聲消除算法從3000個(gè)周期下降10個(gè)周期。這樣的一種指令將延長(zhǎng)電源壽命20~25%左右。