Kalray MPPA解决方案实现无处不在的低功耗、实时单芯片超算

Kalray MPPA解决方案实现无处不在的低功耗、实时单芯片超算

超级计算，对很多人来说并不陌生但仿佛又离得很远，或许大家对它的了解也仅仅限于“天河”超级计算机。其实，随着越来越多的应用对实时数值计算和数据处理提出极高的要求，超级计算正在越来越多地出现在与人类生活息息相关的领域。尤其是近些年来，随着云计算、大数据等IT新概念和新技术的出现，以及先进无损音视频处理和自动驾驶设备等嵌入式高性能计算的兴起，使很多原有应用迎来了突破性进展，并促使很多新的IT应用模式出现。而在这些应用背后，许多厂商正在全力实现的“嵌入式”实时超级计算解决方案，可以提供芯片级的高性能数据运算和处理能力。为此，北京华兴万邦管理咨询有限公司走访了业内率先实现单芯片超算（Supercomputing on a Chip）商用的法国Kalray公司，为大家一探“片上超算”给行业带来的新机会。

面向超级计算的多核处理器

为了完成普通PC或服务器无法完成的大量、复杂的计算任务，超级计算机要求拥有为数众多的处理器。然而，随着对运算速度越来越高的追求，单核处理器已经无法满足超级计算的要求，因为无休止地增加单核处理器的数量不但会造成成本和功耗的大量增加，而且性能也无法呈现几何级数的增长。于是，多核技术开始被大量应用于超级计算当中。以中国的“天河二号”超级计算机为例，其使用的主处理器和协处理器目前均为Intel公司的多核处理器。

目前，市场上研发并供应多核处理器芯片的厂商为数众多，以Intel和AMD两大处理器厂商为首，不同的多核处理器所面向的应用领域也不尽相同。除了面向PC应用的2核、4核处理器和面向手机和平板电脑的4核、8核处理器外，一些供应商推出的8核、16核处理器也已实现全面的商用，例如XMOS公司的xCORE系列多核处理器已被高解析度音频、千兆网速物联网等领域中的产品、解决方案所采用，该公司全新的xCORE-200多核微控制器通过在单一器件上集成16个或更多高性能32位RISC处理器内核，成为了高性能用户、专业音频与新兴千兆网速物联网（IoT）应用的完美可编程平台。

在众多的多核处理器供应商中，有一家面向超级计算相关应用的厂商正在越来越多地引起业界的关注，这就是全球首家可以提供256核以上处理器芯片的厂商——法国公司Kalray。Kalray公司是在单芯片上实现超级计算（Supe rcomputing on a Chip?）的发明者，其大规模并行处理器阵列芯片MPPA?（Massively Parallel Processor Array）处理器采用台积电（TSMC）的28nm工艺制程，拥有超过256个可以进行C/C++编程的内核。该公司的单芯片超算解决方案可以为两大类应用提供高性能、低功耗和实时等特性，一类是在数据中心、视频处理等应用中卸载主处理器的任务，另一类是需要较大量数据处理、高实时性和低功耗的嵌入式应用。下面为您具体介绍该公司的解决方案及其商业应用。

Kalray公司的256核MPPA处理器芯片

低功耗256核处理器芯片和标准C/C++编程环境

Kalray公司是一家成立于2008年的无晶圆厂半导体公司，它是开发多核处理器解决方案的先锋厂商。该公司创新的MPPA架构独一无二地提供单芯片超算解决方案，其可以为视频、网络、电信、大数据等领域的云计算应用实现实时加速，还可以为航空航天、国防、汽车等领域的嵌入式应用提供嵌入式高性能运算能力。Kalray公司的总部位于法国，包括位于巴黎和欧洲硅谷格勒诺布尔市（Grenoble）两个地点的办公室，此外，其在美国加州和日本东京还设有分公司。

Kalray公司的完整解决方案包括MPPA系列多核处理器、PCIe Gen3加速卡、提供网络加速支持的开源网络接口卡（Open NIC），以及软件开发工具包。该解决方案可以提供行业

领先的低计算功耗，具有时间可预测性和低延迟性，以及独一无二的处理扩展性和系统密度，可以在同一块片芯上实现多种异构的应用，同时拥有很好的可编程性（包括标准C/C++和OpenCL）。

MPPA多核处理器包括Andey MPPA和Bostan MPPA两款产品。其中Andey为第一代MPPA 处理器，已于2013年第1季度开始供货。它拥有超过256个可以进行32位超长指令字C/C++编程的内核，单精度浮点运算速度可以达到210 GFLOPS（每秒十亿次浮点运算），双精度浮点运算速度可达70 GFLOPS，运算速度可达0.7 TOPS（每秒万亿次运算）。该处理器拥有两块带宽为12.8GB/s的64位DDR3内存，以及两个由DMA支持的PCIe Gen3×8接口。Bostan为该公司即将推出的第二代MPPA处理器，目前已完成流片及样片的封装，将于2015年第4季度向先期客户供货。它的单精度浮点运算速度可以达到840 GFLOPS，双精度浮点运算速度可达420 GFLOPS，运算速度可达 1.4 TOPS，其他性能相比Andey MPPA有较大幅度的提升。

MPPA多核处理器采用Kalray独一无二的架构设计。每个处理器芯片拥有4个四核主CPU和 16个计算集群，每个计算集群中又包括16个用户核和1个系统核，每个用户核则采用Kalray拥有专利的超长指令字架构进行设计。同时，其片上的DDR存储器和以太网及PCIe 接口模块支持了数据的低延迟处理，并使芯片的整体功耗远远低于通用的多芯片组功耗，Andey MPPA处理器的典型功耗为12W，Bostan MPPA处理器的功耗为11W-30W。

Kalray公司独一无二的处理器架构

为了验证其MPPA处理器的高性能、低功耗特性，并推动其芯片产品的商用化，Kalray 推出了采用MPPA处理器的系列网络卡。Kalray的PCIe Gen3加速卡包括TurboCard2和TurboCard3两款产品。TurboCard2加载了4块Andey MPPA芯片，浮点运算速度可以达到0.9 TFLOPS（每秒万亿次浮点运算），存储容量高达32GB，拥有8块DDR3内存（总带宽达80GB/s），并配有C/C++ GNU编译器环境。TurboCard3是TurboCard2的下一代产品，将于2015年底供货，其加载了4块Bostan MPPA芯片，浮点运算速度可以达到3.4 TFLOPS。Kalray的开源网络接口卡ONIC80也将于2015年底开始供货，它是完全可编程的网卡，运行Bostan MPPA芯片，拥有PCIe Gen3×16接口和8GB存储容量，其大小与普通图形加速单元类似，功耗为40W，可以使数据中心变得更加紧凑和冷静。

Kalray公司的PCIe Gen3加速卡TurboCard2

开发工具体系是处理器生态体系中另一项非常重要的指标。为了便于工程师针对不同的应用开发自己的超算解决方案，Kalray提供了方便易用、内容丰富的软件开发工具包，包括标准C/C++编程环境，模拟器、编译器、调试器和系统跟踪，第三方实时操作系统（如Linux、风河）和设备驱动程序，面向CPU的基础C编程和Lib编程，面向DSP的POSIX多线程编程，以及面向GPU的OpenCL编程。可以说，该软件开发工具包提供了众多高性能应用所需求的软件，工程师不需要针对该系列处理器进行大量重新学习就可以上手，并力求最大限度地发挥MPPA多核处理器的全部性能。

Kalray公司的软件开发工具包

目标市场：数据中心和关键任务型嵌入式应用

通过上述对Kalray公司各种硬件产品性能的描述可以看出，它们能够在很多对数据运算和处理有高要求的应用领域发挥重要作用，加上软件开发工具包提供的强力支持，其整体解决方案拥有非常广阔的应用空间。该公司的销售和营销副总裁Jean-Pierre Demange向分析师介绍：“在数据中心的工作过程中，随着大量应用转向云端，数据通信量的激增，以及新数据中心体系的进一步虚拟化需求，开始出现一种逐渐增长的需求，即从主流处理器（x86）

向高性能、低功耗、低延迟、完全可编程的协处理器进行集中、实时卸载处理的需求。Kalray 的处理器和PCI卡可以提供独一无二的解决方案来帮助数据中心实现这一功能，主要应用范围包括智能网卡、智能存储、运算加速、视频编码等。”

“除数据中心外，我们的解决方案还有一个重要的目标应用市场，那就是关键任务型嵌入式应用。”Kalray公司的销售和营销副总裁Jean-Pierre Demange继续说道。“关键任务型嵌入式应用市场要求在固定的占板面积上提供越来越高的计算能力，以及在同一块片芯上拥有越来越高的功能集成度，同时还要保留实时性支持和安全规范，而目前其他现有的多核架构尚无法满足这些规范和要求的认证。Kalray是全球首家可以为关键任务型嵌入式应用提供全认证多核解决方案的公司，我们可以为航空航天、国防、自动汽车、机器人和多轴飞行器等应用领域提供支持。”

Kalray公司的销售与营销副总裁Jean-Pierre Demange、首席执行官Eric Baissus和商务总监Stephane Cordova（从左至右）向华兴万邦分析师展示其产品目前，Kalray公司已对其后续产品进行了合理的规划，该公司的首席执行官Eric Baissus介绍道：“我们正在对第三代MPPA多核处理器Coolidge制定技术规范，这款芯片的单精度浮点运算速度预计将高于1200 GFLOPS，双精度浮点运算速度预计将高于600 GFLOPS，计划2017年初生产样片，2017年年内实现量产。”此外，关于未来对中国市场的开发，Eric Baissus先生也表达了自己的观点：“目前，我们与中国企业的合作还较少，我们希望下一步能够加强与中国市场的联系，并愿意为中国的超算中心和高性能嵌入式应用提供支持。”

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术

集成电路的功耗优化和低功耗设计技术 摘要：现阶段各行业的发展离不开对能源的消耗，随着目前节能技术要求的不 断提升，降低功耗成为行业发展的重要工作之一。本文围绕集成电路的功耗优化 以及低功耗设计技术展开分析，针对现阶段常见的低功耗设计方式以及技术进行 探究，为集成电路功耗优化提供理论指导。 关键词：集成电路；功耗优化；低功耗 目前现代节能技术要求不断提升，针对设备的功耗控制成为当前发展的主要问题之一。 针对数字系统的功耗而言，决定了系统的使用性能能否得到提升。一般情况下，数字电路设 计方面，功耗的降低一直都是优先考虑的问题，并且通过对整个结构进行分段处理，同时进 行优化，最后总结出较为科学的设计方案，采用多种方式降低功耗，能够很大程度上提升设 备的使用性能。下面围绕数字电路的功耗优化以及低功耗设计展开分析。 一、设计与优化技术 集成电路的功耗优化和低功耗设计是相对系统的内容，一定要在设计的每个环节当中使 用科学且合理的技术手段，权衡并且综合考虑多方面的设计策略，才能够有效降低功耗并且 确保集成电路系统性能。因为集成电路系统的规模相对较大且具有一定的特殊性，想要完全 依靠人工或者手动的方式来达到这些目的并不现实且缺少可行性，一定要开发与之对应的电 路综合技术。 1 工艺级功耗优化 将工艺级功耗应用到设计当中，通常情况下采取以下两种方式进行功耗的降低： 首先，根据比例调整技术。进行低功耗设计过程中，为了能够实现功耗的有效降低会利 用工艺技术进行改善。在设计过程中，使用较为先进的工艺技术，能够让设备的电压消耗有 效缩减。现阶段电子技术水平不断提升，系统的集成度也随之提高，目前采用的零件的规格 也逐渐缩小，零件的电容也实现了良好的控制，进而能够很大程度上降低功耗。借助比例技术，除了能够将可见晶体管的比例进行调整，而且也能够缩小互连线的比例[1]。目前在晶体 管的比例缩小方面，能够依靠缩小零件的部分重要参数，进而在保持性能不被影响的情况下，通过较小的沟道长度，确保其他的参数不受影响的栅压缩方式，进而将零件的体积进行缩减，同时也缩短了延长的用时，使功耗能够有效降低。针对互连线缩小的方式主要将互连线的整 个结构进行调整，工作人员在进行尺寸缩减的过程中，会面临多方面的难题，比如系统噪音 无法控制，或者降低了电路使用的可靠性等等。 其次，采用封装技术进行降低。采用封装技术，能够让芯片与外部环境进行有效的隔离，进而避免了外部环境给电气设备造成一定的破坏与影响，在封装阶段，芯片的功耗会受到较 大的影响，因此需要使用更加有效的封装手段，才能够提升芯片的散热性，进而有效降低功 耗[2]。在多芯片的情况下，因为芯片与其他芯片之间的接口位置会产生大量的功耗，因此针 对多芯片采取封装技术，首先降低I/0接口的所有功能，接着解决电路延迟的问题，才能够 实现对集成电路的优化。 2 电路功耗优化 一般情况下，对电路级的功耗会选择动态的逻辑设计。在集成电路当中，往往会包含多 种电路逻辑结构，比如动态、静态等等，逻辑结构从本质上而言具有一定的差异性，这种差 异性也使得逻辑结构有着不同作用的功能。动态逻辑结构有着较为典型的特性[3]。静态的逻 辑结构当中所有的输入都会对接单独的MOS，因此逻辑结构功耗更大，动态的逻辑结构当中 电路通常具备N、M两个沟道，动态电路会利用时钟信号采取有效的控制，进而能够实现预

集成电路低功耗设计方法研究【文献综述】

毕业设计文献综述 电子信息科学与技术 集成电路低功耗设计方法研究 摘要:随着IC制造工艺达到纳米级，功耗问题已经与面积、速度一样受到人们关注，并成为制约集成电路发展的关键因素之一。同时，由于电路特征尺寸的缩小，之前相比于电路动态功耗可以忽略的静态漏功耗正不断接近前者，给电路低功耗设计提出了新课题，即低漏功耗设计。本文将分析纳米工艺下芯片功耗的组成和对低漏功耗进行研究的重要性，然后介绍目前主要的低功耗设计方法。此外，由于ASIC技术是目前集成电路发展的趋势和技术主流，而标准单元是ASIC设计快速发展的重要支撑，本文在最后提出了标准单元包低漏功耗设计方法，结合电路级的功耗优化技术，从而拓宽ASIC功耗优化空间。 关键字：低功耗，标准单元，ASIC设计 前言： 自1958年德克萨斯仪器公司制造出第一块集成电路以来，集成电路产业一直以惊人的速度发展着，到目前为止，集成电路基本遵循着摩尔定律发展，即集成度几乎每18个月翻一番。 随着制造工艺的发展，IC设计已经进入了纳米级时代：目前国际上能够投入大规模量产的最先进工艺为40nm，国内的工艺水平正将进入65nm；2009年，Intel酷睿i系列创纪录采用了领先的32nm 工艺，并且下一代22nm工艺正在研发中。但伴随电路特征尺寸的减小，电路功耗数值正呈指数上升，集成电路的发展遭遇了功耗瓶颈。功耗问题已经同面积和速度一样受到人们重视，成为衡量IC设计成功与否的重要指标之一。若在设计时不考虑功耗而功利地追求集成度的提高，则可能会使电路某些部分因功耗过大引起温度过高而导致系统工作不稳定或失效。如Intel的1.5GHz Pentium Ⅳ处理器，拥有的晶体管数量高达4200万只，功率接近95瓦，整机生产商不得不为其配上了特大号风扇来维持其正常工作。功耗的增大不仅将导致器件的可靠性降低、芯片的稳定性下降，同时也给芯片的散热和封装带来问题。因此，功耗已经成为阻碍集成电路进一步发展的难题之一，低功耗设计也已成为集成电路的关键设计技术之一。 一、电路功耗的组成 CMOS电路中有两种主要的功耗来源，动态功耗和静态功耗。其中，动态功耗包括负载电容的充放电功耗(交流开关功耗)和短路电流引起的功耗；静态功耗主要是由漏电流引起的功耗，如图1所示。

过程装备中数据采集系统的低功耗设计

收稿日期:2002 08 05 作者简介:黄志勇(1978 ),男,江西南昌人,硕士生,研究方向为便携式数据采集系统的开发与研制。 过程装备中数据采集系统的低功耗设计 黄志勇,邹久朋 (大连理工大学过程装备与控制工程系,辽宁大连116012) [摘 要] 从理论分析和实际应用两个方面阐述和讨论了低功耗大容量便携式数据采集仪的研制方案。主要从芯片的选型、外围电路的设计、软件设计等方面入手来分析如何使电池供电的数据采集系统长时间工作于无人看管的场所。 [关键词] 单片机;低功耗;外围电路;数据采集 [中图分类号]TM911 [文献标识码]A [文章编号]1000 0682(2003)01 0034 03 The Low dissipation design of a data acqusition system in process equipment HUANG Zhi yong,ZOU Jiu Peng (Proc ess Equi pment &Cont rol Engineering De pt o f DaLian U niversity o f Tec hnology ,Liaoning Dalian 116012,China ) Abstract:This paper expatiates on the method of designing a portable and large capacity microcontroller system with low power dissipation and discusses its development through both theoretic analysis and actual ap plications.Proceeding from the circuits,design,components and selection to software configuration,the paper analyses how the design conception can realize the function that keeps the battery operated data acquisition sys tem working for a long time at its working field without tenders. Key words:Microcontroller;Lo w power dissipation;Peripheral circuit;Data acquisition 1 前 言 由单片机组成的数据采集系统已经广泛的应用在过程装备的各个领域。通常在野外偏远地区、高温高压场所要进行压力、温度和应力等的数据采集时,由于没有持续的电力供给,而且工作温度有限制,不太适合使用笔记本电脑等设备进行数据采集,只能使用电池供电的数据采集系统。而一般情况下数据采集需持续几天到几个月,这样整个系统的功耗成为影响系统设计的关键问题。 2 低功耗的硬件设计 在实际应用中数据采集系统主要由传感器、A/ D 转换器、单片机、存储器、与微机接口电路等组成。除传感器外,设计人员基本上是选用低功耗C MOS 或HCMOS 型工艺制造的IC 。而CMOS 电路的功耗由静态功耗(Ps )和动态功耗(Pd )组成。静态功耗是在电路的所有输入信号保持状态不变时的直流功 耗。它包括PN 结反向漏电流引起的功耗和MOS 晶体管的亚阈电流引起的功耗。由于它一般在微安( A)量级[1],可以忽略。动态功耗是C MOS 电路在正常操作时所消耗的能量。它一般在毫安级(mA)。所以在低功耗设计时,应尽量减少动态功耗。 动态功耗Pd 是对电路节点负载电容进行充放电所消耗的功率。表示为: Pd =RC L V L V dd f (2 1) 式中:C L 负载电容; V L 逻辑摆幅;V dd 电源电压;f 工作频率; R 能量状态转换活动几率。 R 又简称 开关活动率 ,它是指节点一个周期内做耗能状态转换所用的时间与时钟周期之比,它的大小与电路结构、逻辑功能、输入数据的组合状态及节点的初始状态有关。一般情况下C MOS 电路的逻辑摆幅V L 与电源电压V dd 近似,故(2 1)式可简化为: P d =RC L V 2dd f (2 2) 由上式可知,降低动态功耗的主要途径是:降低耗能状态转换活动几率、减少负载电容、降低工作电 34 工业仪表与自动化装置 2003年第1期

数字集成电路物理设计阶段的低功耗技术

数字集成电路物理设计阶段的低功耗技术 张小花（200XXXXXXXX） 2011年六月 摘要:通过一个图像处理SoC的设计实例,着重讨论在物理设计阶段降低CMOS功耗的方法。该方法首先调整 PAD摆放位置、调整宏单元摆放位置、优化电源规划,得到一个低电压压降版图,间接降低CMOS功耗;接着,通过规划开关活动率文件与设置功耗优化指令,直接降低CMOS功耗。最终实验结果表明此方法使CMOS功耗降低了 10.92%。基于该设计流程的图像处理SoC已经通过ATE设备的测试,并且其功耗满足预期目标。 关键词: 集成电路; 物理设计; 电压降; 低功耗 Digital integrated circuit physical design phase of the low power technology luo jiang nan（2008102041） June, 2011 Abstract: through a image processing of SoC design examples, the paper discuss the physical design stage reduce power consumption method. CMOS This method firstly PAD put the position, adjusting adjustment macro unit put the position, optimizing power planning, get a low voltage pressure drop, reduce the power consumption of the CMOS indirect territory; Then, through the planning activities rate documents and set switch power optimization, reduce the power consumption of the CMOS setup instructions directly. Finally the experimental results show that the method that CMOS power consumption was reduced by 10.92%. Based on the design process of the image processing has been through the ATE the SoC test equipment, and its power consumption to meet expectations. Keywords: IC; physical design; voltage drop; low power consumption 1 引言 随着集成电路规模的扩大以及便携式和嵌入式应用需求的增长,低功耗数字集成电路设计技术日益受到重视,已成为集成电路设计的研究热点.通常低功耗设计技术包括三个方面:设计中的低功耗技术、封装的低功耗技术和运行管理的低功耗技术.其中设计中的低功耗技术包括前端设计阶段的 体系结构级低功耗技术、RTL级低功耗技术、门级低功耗技术和物理设计阶段的低功耗 技术.

数字集成电路低功耗分析

数字集成电路低功耗分析 摘要： 电子产品功耗的大小不仅限制了便携设备电池使用时间,也在一定程度上影响着设备性能。研究如何降低功耗己经成为所有IC设计者必须考虑的重要问题，对功耗的优化也是目前每个IC设计企业的必要环节。本文主要对数字集成电路功耗的优化方法进行了分析，分别从工艺级、电路级、版图级、门级、寄存器级、算法级和系统级分析了低功耗的优化方法。 关键词：低功耗；集成电路；优化 引言： 随着移动设备快速大量的增加和芯片处理速度的提高，芯片的功耗己成为集成电路设计者必须考虑的重要问题，于此同时对芯片的整体性能评估己经由原来的面积和速度变成了面积、时序、可测性和功耗的综合考虑，而且功耗所占的比重越来越大。 低功耗技术的研究背景： 集成电路是一个二十世纪发展起来的高技术产业，也是二十一世纪世界进入信息化社会的前提和基础。在1958年德克萨斯仪器公司生产出第一块集成电路，集成电路产业就一直保持着快速的发展速度，处在数字化和信息化时代的今天，数字集成电路的应用和改进显得尤为重要，从电子管到晶体管再到中小规模集成电路和超大规模集成电路，到现在市场上主流的专用集成电路(ASIC)，以及现处于快速发展的系统级芯片，数字集成电路始终朝着速度更快，集成度更高，

规模更大的方向不断发展。从目前状况来看，数字集成电路基本上仍然遵循摩尔定律来发展—集成度几乎每18个月增长一倍。但是随着芯片规模的不断扩大，功耗问题变得越来越突出，并且成为制约数字集成电路发展的重要因素。长期以来，面积最小化和处理的高速度是数字集成电路设计中最主要的问题。现在，因为新的IC技术工艺的使用和集成度越来越高，降低芯片功耗逐渐成为了非常重要的一个因素。在亚微米和深亚微米的技术中，由于能量消耗而产生的余热使电路中的某些功能受到了不同程度的影响。功耗的增加意味着电迁移率的增加。当芯片温度上达到一定的程度时，电路就无法正常工作，因此复杂系统的性能就会被严重的影响到，并且整个系统的可靠性将会降低，尤其对于要求具有长生命周期和高可靠性的电子产品来说，降低功耗是必然的选择。从产品市场需求来看，近年来依靠电池供电的数码产品的大量使用如便携电脑、移动通讯工具等，这些产品的功耗严重影响着用户的使用体验，为了使产品具有更长的使用时间，迫切需要降低产品功耗。目前，功耗的优化方法有很多种，也越来越具有针对性，但大体思路都是通过降低工作电压和工作频率、减少计算量等方法来实数字集成电路的功耗优化。数字集成电路低功耗优化的下一个研究方向是结合多个层次的功耗分析及优化方法。 数字集成电路低功耗优化方法： 低功耗设计技术大致可以分为两类：动态技术和静态技术。静态技术是指从系统构造、工作原理方面入手，降低系统功耗,如选用低功耗器件，采用异步电路体系设计等。而动态技术则是通过改变系统

MRS201低功耗霍尔元件

TMR 超低功耗全极磁开关 概述 是一款集成了隧道磁阻（TMR ）传感器和CMOS 技术，为高灵敏度、高速、低功耗、高精度应用而开发的全极磁开关。采用高精度推挽式半桥TMR 磁传感器和CMOS 集成电路，包括TMR 电压发生器、比较器、施密特触发器和CMOS 输出电路，能将变化的磁场信号转化为数字电压信号输出。通过内部电压稳压器来提供温度补偿电源，并允许宽的工作电压范围。以低电压工作、1微安级的供电电流、高响应频率、宽的工作温度范围、优越的抗外磁干扰特性成为众多低功耗、高性能应用的理想选择。采用两种封装形式：SOT23-3和TO-92S 。 功能框图 产品特性 ? 隧道磁电阻 (TMR) 技术 ? 1.5微安超低功耗 ? 高频率响应可达1kHz ? 全极磁开关 ? 高灵敏度，低开关点 ? 宽工作电压范围 ? 卓越的温度稳定性 ? 优越的抗外磁场性能 典型应用 ? 流量计，包括水表、气表和热量表 ? 接近开关 ? 速度检测 ? 线性及旋转位置检测 磁开关MRS201MRS201MRS201MRS201MRS201MRS201

管脚定义 TO-92S SOT23-3 极限参数 性能参数(V CC = 3.0V, T A = 25°C) 注：在以上测试中，电源和地之间需连接一个0.1μF的电容。

磁特性(V CC = 3.0V, T A = 25°C) 电压和温度特性 输出和磁场关系 注：上电时，在工作磁场为零时，输出信号为高电平。 磁场感应方向磁场强度

MRS201应用指南 封装尺寸 SOT23-3封装图： 平行于TMR 传感器敏感方向的磁场超过工作点门限︱B OPS ︱(︱B OPN ︱)时，输出低电平。当平行于TMR 传感器敏感方向的磁场低于释放点︱B RPS ︱(︱B RPN ︱)时，输出高电平。磁场工作点和释放点的差值就是传感器的回差B H 。 为了降低外部噪音，推荐在传感器电源和地之间增加一个滤波电容（靠近传感器）。如应用电路图所示，典型值为0.1μF 。 MRS201

基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计

密级一般 分类号TP393硕士学位论文 作者：杨朋伟 指导教师：侯宏录教授 申请学位学科： 2009年4月20日 XI’ANTECHNOLOGICAL UNIVERSITY 基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计 测试计量技术及仪器 题目:

基于Zigbee的低功耗数据采集系统设计 学科：测试计量技术及仪器 研究生签字： 指导教师签字： 摘要 Zigbee无线传感器网络技术是一种全新的短距离无线通信技术，广泛应用于智能控制、无线监控及环境监测等领域。目前，对于Zigbee无线传感器网络技术的应用还存在诸多问题，本文重点对无线传感器网络时间同步算法、低功耗系统设计开展深入研究。 1.对Zigbee无线传感器网络时间同步算法进行了全面分析研究,从降低同步开销和关键路径长度的角度出发，提出了两种应用于不同环境下的时间同步算法。1）当网络规模较小时，采用二层拓扑结构的Zigbee时间同步算法，该算法通过构造二层拓扑结构和时延估计的方法实现了ms级的时间同步精度.降低了时间同步开销；2）当网络规模较大时，采用多跳传感器网络时间同步算法，该算法通过构造较优拓扑结构和累计时延估计的办法降低了时间同步开销及关键路径长度。 2.通过对Zigbee协议栈的研究及分析，从低功耗设计的角度出发，完成了Zigbee低功耗无线数据采集及传输系统设计。主要内容包括如下几个方面： 1）完成了Zigbee无线网络节点的电路设计及相关应用电路设计，在此基础上，应用IAR7.20H开发平台完成了Zigbee无线网络节点的功能软件设计。 2）使用TI公司的CC2430芯片完成了Zigbee节点点对点无线通信的设计及Zigbee 简单网络节点通信设计。 3）完成了多路传感器数据采集接口的设计及Zigbee无线网络监控管理软件设计。 4）研究了无线网络节点功能软件的低功耗设计方法。 5）搭建了Zigbee低功耗无线数据采集及传输系统，对其进行了调试和实验，结果表明该系统在70m范围内工作稳定，误码率较低，时间同步精度较高，能够满足工业环境下的参数远程监控。 关键词：数据采集及传输；低功耗；无线传感器网络；时间同步算法；Zigbee

数据采集系统简介研究意义和应用

一前言 1.1 数据采集系统简介 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机（或微处理器）的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。该数据采集系统是一种基于TLC549模数转换芯片和单片机的设备，可以把ADC采集的电压信号转换为数字信号，经过微处理器的简单处理而交予数码管实现电压显示功能，并且通过与PC的连接可以实现计算机更加直观化显示。 1.2 数据采集系统的研究意义和应用 在计算机广泛应用的今天，数据采集的在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。利用串行或红外通信方式，实现对移动数据采集器的应用软件升级，通过制订上位机(PC)与移动数据采集器的通信协议,实现两者之间阻塞式通信交互过程。在工业、工程、生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如：在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，常用的有A/D 卡以及422、485等总线板卡。卫星数据采集系统是利用航天遥测、遥控、遥监等技术，对航天器远地点进行各种监测，并根据需求进行自动采集，经过卫星传输到数据中心处理后，送给用户使用的应用系统。 1.3 系统的主要研究内容和目的 本课题研究内容主要包括：TLC549的工作时序控制，常用的单片机编辑Ｃ语言，VB 串口通信COMM控件、VB画图控件的运用等。 本课题研究目的主要是设计一个把TLC549（ADC）采集的模拟电压转换成八位二进制数字数据，并把该数据传给单片机，在单片机的控制下在实验板的数码管上实时显示电压值并且与计算机上运行的软件示波器连接，实现电压数据的发送和接收功能。

超低功耗电路的设计原则及设计分析

超低功耗电路的设计原则及设计分析 以手机为代表的电池供电电路的兴起,为便携式仪表开创了一个新的纪元。超低功耗电路系统(包括超低功耗的电源、单片机、放大器、液晶显示屏等)已经对电路设计人员形成了极大的诱惑。毫无疑问,超低功耗电路设计已经对低功耗电路提出了挑战,并将扩展成为电子电路中的一个重要应用领域。 虽然超低功耗设计仍然是在CMOS集成电路(IC)基础上发展起来的,但是因为用户众多,数千种专用或通用超低功耗IC不断涌现,使设计人员不再在传统的CMOS型IC上下功夫,转而选择新型超低功耗IC,致使近年来产生了多种超低功耗仪表。电池供电的水表、暖气表和煤气表近几年能够发展起来就是一个证明。目前,电池供电的单片机则是超低功耗IC的代表。 本文将对超低功耗电路设计原则进行分析,并就怎样设计成超低功耗的产品作一些论述,从而证明了这种电路在电路结构和性价比等方面对传统电路极具竞争力。 1 CMOS集成电路的功耗分析 无论是低功耗还是超低功耗IC,主要还是建立在CMOS电路基础上的。虽然超低功耗IC 对单元电路进行了新形式的设计,但作为功耗分析,仍然离不开CMOS电路基本原理。以74系列为代表的TTL集成电路,每门的平均功耗约为10mW;低功耗的TTL集成电路,每门平均功耗只有1mW。74系列高速CMOS电路,每门平均功耗约为10μW;而超低功耗CMOS 通用小规模IC,整片的静态平均功耗却可低于10μW。传统的单片机,休眠电流常在50μA～2mA范围内;而超低功耗的单片机休眠电流可达到1μA以下。 CMOS电路的动态功耗不仅取决于负载,而且就电路内部而言,功耗与电源电压、集成度、输出电平以及工作频率都有密切联系。因此设计超低功耗电路时不得不对全部元件的内外性质做仔细分析。 CHMOS或CMOS电路的功耗特性一般可以表示为: P=PD+PA

数据采集系统

湖南工业大学科技学院 毕业设计（论文）开题报告 （2012届） 教学部：机电信息工程教学部 专业：电子信息工程 学生姓名：肖红杰 班级： 0801 学号 0812140106 指导教师姓名：杨韬仪职称讲师 2011年12 月10 日

题目：基于单片机的数据采集系统的控制器设计 1.结合课题任务情况，查阅文献资料，撰写1500～2000字左右的文献综述。 近年来，数据采集及其应用技术受到人们越来越广泛的关注，数据采集系统在各行各业也迅速的得到应用。如在冶金、化工、医学、和电器性能测试等许多场合需要同时对多通道的模拟信号进行采集、预处理、暂存和向上位机传送、再由上位机进行数据分析和处理，信号波形显示、自动报表生成等处理，这些都需要数据采集系统来完成。但很多数据采集系统存在功能单一、采集通道少、采集速率低、操作复杂、并且对操作环境要求高等问题。人们需要一种应用范围广、性价比高的数据采集系统，基于单片机的数据采集系统具有实现处理功能强大、处理速度快、显示直观，性价比高、应用广泛等特点，可广泛应用于工业控制、仪器、仪表、机电一体化，智能家居等诸多领域。总之，无论在那个应用领域中，数据采集与处理越及时，工作效率就超高，取得的经济效益就越大。 数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号转换成计算机能识别的信号，并送入计算机，然后将计算得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监测，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集系统的市场需求量大，特别是随着技术的发展，可用数据器为核心构成一个小系统,而目前国内生产的主要是数据采集卡，存在无显示功能、无记忆存储功能等问题，其应用有很大的局限性，所以开发高性能的，具有存储功能的数据采集产品具有很大的市场前景。 随着电子技术的迅速发展，，一些高性能的电子芯片不断推出，为我们进行电子系统设计提供的更多的选择和更多的方便，单片机具有体积小、低功耗、使用方便、处理精度高、性价比高等优点，这些都使得越来越广泛的选用单片机作为数据采集系统的核心处理器。一些高性能的A/D转换芯片的出现也为数据采集系统的设计提供了更多的方便，无论是采集精度还是采样速度都比以前有了较大的提高。其中一些知名的大公司如MAXIM公司、TI公司、ADI公司都有推出性能比效突出的 A/D转换芯片，这些芯片普通具有低功耗、小尺寸的特点，有些芯片还具有多通道的同步转换功能。这些芯片的出现，不仅因为芯片价格便宜，能够降低系统设计的成本，而且可以取代以前繁琐的设计方法，提高系统的集成度。 数据采集器是目前工业控制中应用较多的一类产品，数据采集器的研制已经相当成熟，而且数据采集器的各类不断增多，性能越来越好，功能也越来越强大。 在国外，数据采集器已发展的相当成熟，无论是在工业领域，还是在生活中的应用，比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器，它既可单独使用又可和计算机连接使用，它具有多种测量

对半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的浅略认识

对半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的浅略认识 一、半导体技术、微电子技术、集成电路技术三者的联系与区别 我们首先从三者的概念或定义上来分别了解一下这三种技术。 半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。在电子信息方面，绝大多数的电子组件都是以硅为基材做成的，因此电子产业又称为半导体产业。半导体技术最大的应用便是集成电路，它们被用来发挥各式各样的控制功能，犹如人体中的大脑与神经。 微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术，是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，为微电子学中的各项工艺技术的总和。 集成电路技术，在电子学中是一种把电路小型化的技术。采用一定的工艺，把一个电路中所需的各种电子元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。（以上三者概念均来源于网络）这般看来，三者概念上互相交叉，却也略有区别。依我这个初次接触这三个名词、对电子信息几乎一窍不通的大一新生来看，半导体技术是其他二者技术的基础，因为半导体是承载整个电子信息的基石，不管是微电子还是集成电路，便是以半导体为材料才可以建造、发展。而微电子技术，个人感觉比较广泛，甚至集成电路技术可以包含在微电子技术里。除此之外，诸如小型元件，如纳米级电子元件制造技术，都可以归为微电子技术。而集成电路技术概念上比较狭窄，单单只把电路小型化、集成化技术，上面列举的小型元件制造，便不能归为集成电路技术，但可以归为微电子技术。以上便是鄙人对三者概念上、应用上联系与区别的区区之见，如有错误之处还望谅解。 二、对集成电路技术的详细介绍 首先我们了解一下什么是集成电路。 集成电路是一种微型电子器件或部件。人们采用一定的工艺，把一个电路中所需的各种元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。 而简单来说，集成电路技术便是制造集成电路的技术方法。它涉及半导体器件物理、微电子学、电子学、无线电、光学以及信息学等学科领域的知识。 从产业分工角度，集成电路技术可以分为集成电路加工技术、集成电路测试封装技术以及集成电路设计技术等几方面。 1. 集成电路加工技术 集成电路加工技术主要是通过物理或化学手段在硅材料上生成半导体器件（比如场效应管）以及器件之间的物理互连。这些器件以及器件之间的互连构成的电路功能要符合系统设计要求。集成电路加工技术涉及的知识包括半导体器件物理、精密仪器、光学等领域，具体应用在工艺流程中，包括注入、掺杂、器件模型、工艺偏差模型、成品率分析以及工艺过程设计等。在近十几年的时间里，集成电路加工工艺水平一直按照摩尔（Moore）定律在快速发展。 2.集成电路测试、封装技术 集成电路测试包括完成在硅基上产生符合功能要求的电路后对裸片硅的功能和性能的

数字集成电路低功耗物理实现技术与UPF

数字集成电路低功耗物理实现技术与UPF 孙轶群sun.yiqun@https://www.wendangku.net/doc/6c1549234.html, 国民技术股份有限公司 Nationz Technologies Inc 摘要 本文从CMOS电路功耗原理入手，针对不同工艺尺寸下数字集成电路的低功耗物理实现方法进行描述，并着重描述了Synopsys UPF（Unified Power Format）对低功耗设计的描述方法。UPF是Synopsys公司提出的一种对芯片中电源域设计进行约束的文件格式。通过与UPF 格式匹配的Liberty文件，UPF约束文件可以被整套Galaxy物理实现平台的任何一个环节直接使用，并将设计者的电源设计约束传递给设计工具，由工具完成设计的实现工作，从而实现整套数字集成电路低功耗物理实现的流程。 1.0 概述 本文从数字集成电路低功耗设计原理下手，对设计中低功耗的实现技术进行描述，包括完成低功耗设计需要的库资料以及常用EDA工具对低功耗技术实现的方法。 2.0 CMOS电路的低功耗设计原理 CMOS电路功耗主要分3种，静态功耗主要与工艺以及电路结构相关，短路电流功耗主要与驱动电压、p-MOS和n-MOS同时打开时产生的最大电流、翻转频率以及上升、下降时间有关，开关电流功耗主要与负载电容、驱动电压、翻转频率有关。做低功耗设计，就必须从这些影响功耗的因素下手。 3.0 低功耗设计手段及Library需求 低功耗的设计手段较为复杂，但对于不同的设计，或者不同的工艺，实现的方法却各不相同。 3.1 0.18um及以上工艺 0.18um及以上工艺，在低功耗设计手段上较为有限，主要原因在于，静态功耗很小，基本不用关心。 动态功耗方面，主要的功耗来自于Switching Power，即与负载电容、电压以及工作中的信号翻转频率相关。 减小负载电容，就必须在设计上下功夫，减少电路规模。减少信号翻转频率，除了降低时钟频率外，只有在设计上考虑，能不翻转的信号就不翻转。至于电压，由于0.18um及以上工艺的阈值电压有一定的限制，因此，供电电压降低，势必影响工作频率。 一般说来，在0.18um工艺下设计电路，主要有以下几种对低功耗设计的考虑。 3.1.1 静态功耗可以忽略 根据现有项目经验可知，利用0.18um工艺Standard Cell设计出来的某芯片，数字逻辑加上Ram和Rom约40万门的电路，在完全静止的状态下，功耗约200uA左右（实测数据为400uA 左右，包括了50uA Flash，30uA的PHY，113uA的VR，其他模拟部分漏电不大，因此这里估算为200uA）。这样的功耗，我们是可以接受的。如果非要减少静态功耗，则可以参照90nm工艺的设计思路，专门设计高阈值电压的MOSFET，或者专门设计切断电源所需的元件，但由此带来设计的复杂性，对0.18um工艺的影响还是很大的。如果设计规模没有那么大，且可以满足应用，往往还是可以忽略这个结果的。 3.1.2 时钟门控减小不必要的动态功耗 在寄存器的电路设计中，时钟输入端都会有一个反向器负载，就算输入端不发生变化，时钟的变化也会造成该反向器的变化，由此产生动态功耗。因此在如果该寄存器输入在某种条件下等于输出（即输出保持）时，可以将时钟门控住，以减少无效的时钟翻转。 时钟门控的实现原理如下图所示：

常用低功耗设计

随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加，而功耗增加又将导致芯片发热量的增大和可靠性的下降。因此，功耗已经成为深亚微米集成电路设计中的一个非常重要的考虑因素。为了使产品更具有竞争力，工业界对芯片设计的要求已从单纯的追求高性能、小面积，转换为对性能、面积、功耗的综合要求。微处理器作为数字系统的核心部件，其低功耗设计对降低整个系统的功耗具有非常重要的意义。 本文首先介绍了微处理器的功耗来源，重点介绍了常用的低功耗设计技术，并对今后低功耗微处理器设计的研究方向进行了展望。 1 微处理器的功耗来源 研究微处理器的低功耗设计技术，首先必须了解其功耗来源。高层次仿真得出的结论如图1所示。 从图1中可以看出，时钟单元(Clock)功耗最高，因为时钟单元有时钟发生器、时钟驱动、时钟树和钟控单元的时钟负载;数据通路(Datapath)是仅次于时钟单元的部分，其功耗主要来自运算单元、总线和寄存器堆。除了上述两部分，还有存储单元(Mem ory)，控制部分和输入/输出 (Control，I/O)。存储单元的功耗与容量相关。 如图2所示，C MOS电路功耗主要由3部分组成：电路电容充放电引起的动态功耗，结反偏时漏电流引起的功耗和短路电流引起的功耗。其中，动态功耗是最主要的，占了总功耗的90%以上，表达式如下： 式中：f为时钟频率，C1为节点电容，α为节点的翻转概率，Vdd为工作电压。

2 常用的低功耗设计技术 低功耗设计足一个复杂的综合性课题。就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等;就设计抽象层次而言，包括自系统级至版图级的所有抽象层次。同时，功耗优化与系统速度和面积等指标的优化密切相关，需要折中考虑。下面讨论常用的低功耗设计技术。 2.1 动态电压调节 由式(1)可知，动态功耗与工作电压的平方成正比，功耗将随着工作电压的降低以二次方的速度降低，因此降低工作电压是降低功耗的有力措施。但是，仅仅降低工作电压会导致传播延迟加大，执行时间变长。然而，系统负载是随时间变化的，因此并不需要微处理器所有时刻都保持高性能。动态电压调节DVS (Dynarnic Voltage Scaling)技术降低功耗的主要思路是根据芯片工作状态改变功耗管理模式，从而在保证性能的基础上降低功耗。在不同模式下，工作电压可以进行调整。为了精确地控制DVS，需要采用电压调度模块来实时改变工作电压，电压调度模块通过分析当前和过去状态下系统工作情况的不同来预测电路的工作负荷。 2.2 门控时钟和可变频率时钟 如图1所示，在微处理器中，很大一部分功耗来自时钟。时钟是惟一在所有时间都充放电的信号，而且很多情况下引起不必要的门的翻转，因此降低时钟的开关活动性将对降低整个系统的功耗产牛很大的影响。门控时钟包括门控逻辑模块时钟和门控寄存器时钟。门控逻辑模块时钟对时钟网络进行划分，如果在当前的时钟周期内，系统没有用到某些逻辑模块，则暂时切断这些模块的时钟信号，从而明显地降低开关功耗。图3为采用“与”门实现的时钟控制电路。门控寄存器时钟的原理是当寄存器保持数据时，关闭寄存器时钟，以降低功耗。然而，门控时钟易引起毛刺，必须对信号的时序加以严格限制，并对其进行仔细的时序验证。 另一种常用的时钟技术就是可变频率时钟。根据系统性能要求，配置适当的时钟频率，避免不必要的功耗。门控时钟实际上是可变频率时钟的一种极限情况(即只有零和最高频率两种值)，因此，可变频率时钟比门控时钟技术更加有效，但需要系统内嵌时钟产生模块PLL，增加了设计复杂度。去年Intel公司推出的采用先进动态功耗控制技术的Montecito处理器，就利用了变频时钟系统。该芯片内嵌一个高精度数字电流表，利用封装上的微小电压降计算总电流;通过内嵌的一个32位微处理器来调整主频，达到64级动态功耗调整的目的，大大降低了功耗。

边缘计算综述

1.什么是边缘计算？ 在IIoT的背景下，“边缘”是指靠近数据源的计算基础设施，例如工业机器（例如风力涡轮机，磁共振（MR）扫描仪，海底防喷器）），工业控制器如SCADA系统和时间序列数据库汇总来自各种设备和传感器的数据。这些设备通常远离云中可用的集中式计算。 边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台。边缘计算与云计算互相协同，共同助力各行各业的数字化转型。它就近提供智能互联服务，满足行业在数字化变革过程中对实时业务、业务智能、数据聚合与互操作、安全与隐私保护等方面的关键需求。 到目前为止，边缘计算的作用主要用于摄取，存储，过滤和发送数据到云系统。然而，我们正处于一个时间点，这些计算系统正在包装更多的计算，存储和分析功能，以消耗并对机器位置的数据采取行动。这种能力对于工业组织来说将是非常有价值的 - 这是不可或缺的。 2.这对工业带来的价值 行业权威人士已经计算出，数以千计的连接事物会从不同的来源产生大量的数据。根据国际电信联盟电信标准分局ITU-T的研究报告，到2020年，每个人每秒将产生的数据，IoT可穿戴设备的出货量将达到亿。IDC也发布了相关预测，到2018年，50%的物联网网络将面临网络带宽的限制，40%的数据需要在网络边缘侧分析、处理与储存，到2025年，这一数字将超过50%。管理咨询公司麦肯锡公司估计，到2025年，工业物联网（IIoT）将创造价值万亿的市场规模。工业物联网将思想和机器结合在一起，将人们与加速数字产业转型的机器数据相结合。 通过将大数据，高级分析和机器学习应用于运营，工业可以减少计划外停机时间，提高资产性能，降低维护成本，并为从机床数据中获取未开发价值的新业务模式开拓潜力。 过去几年来，工业组织已经开始将云计算融入业务，从大量数据中获取洞察力，帮助实现关键业务成果，包括减少意外停机，提高生产效率，降低能耗等。云计算仍然通过工业物联网来实现新的性能水平发挥关键作用，因为它需要大量的计算能力来有效地管理来自机器的庞大数据量。 但是随着更多的计算，存储和分析能力被捆绑到更靠近数据源的较小设备中，即工业机器 - 边缘计算将有助于边缘处理实现工业物联网的承诺。 虽然这个概念不是新的，但是有几个关键的驱动力使它成为今天更可行的现实：·计算和传感器的成本继续下滑， ·在较小尺寸的设备（如网关或传感器集线器）中执行的更多计算能力， ·来自机器和/或环境的日益增长的数据（例如天气或市场定价）， ·现代机器学习与分析。 这些因素有助于公司将大量数据转化为具有洞察力和智慧的行动。 对于工业组织来说，这种技术在以下用例中将变得至关重要： ·低/间歇连接（如远程位置） o将数据传输到云的带宽和相关的高成本 o低延迟，例如机器洞察和启动之间的闭环相互作用（即在机器上采取动作）

基于DSP的低功耗高速数据采集系统设计

基于DSP的低功耗高速数据采集系统设计 随着电子技术的发展及新器件的不断涌现，电子系统在手持设备、便携 医疗仪器以及野外测试仪器等领域得到了广泛的应用。在这些领域的应用中， 由于客观条件的限制，通常采用电池或蓄电池为仪器设备提供电源。在这种情 况下，如要实现系统长时间工作，必然对仪器设备系统功耗的要求较高，因此 低功耗系统的设计在这些应用领域中得到广泛重视。 1 TMS320VC5509 简介 TMS320VC5509（以下简称VC5509）是德州仪器（TI）公司针对低功耗应用领域推出的一款低功耗高性能DSP，采用1.6V 的核心电压以及3.3V 的外围接口电压，最低可支持0.9V 的核心电压以0.05mW/MIP 的低功耗运行。 VC5509 支持丰富的外设接口，最高支持144MHz 的时钟频率，片内具有双乘累加器，每周期可执行一条指令或两条并行指令，具有高达288MIPS 的处理能力。VC5509 内部存储器采用统一编址，带有128K 字RAM，其中包括32K 字双存取RAM（DARAM）以及96K 字单存取RAM（SARAM），另外还有 64KB 片内只读ROM，并可以实现高达4MB 的外部存储空间扩展，是一款具 有较高性价比的低功耗DSP 芯片。VC5509 的结构框图如图1 所示。 2 系统设计与实现 本系统要求实现四通道同步采样，每通道采样频率为50kHz，系统供电为 +5V，全速运行时整体功耗低于250mW。针对这些技术指标，本系统以低功耗DSP 芯片TMS320VC5509 为核心，采用串行EEPROM 作为程序存储器，选用四片微功耗12 位ADC 实现四个通道模拟信号的同步采集。系统中设计铁电存储器（FRAM）作为掉电保护数据存储器，并设计一个异步串口实现与外部系 统的通讯。系统原理框图如图2 所示。在保证实现系统功能的前提下，本系统

低功耗电路设计

便携式产品低功耗电路设计的综合考虑 集成电路和计算机系统的发展对低功耗的要求越来越高 分析了功耗产生的主要原因以及与成本的关系 如今为了适应这一变化 低功率逻辑电路的标准被定义为每一级门电路功耗小于1.3uW/MHz最终用户认为 对于总体系统设计来说这是电子工业发展的必然趋势更轻和功能更强大的最终产品 从功率观点看设计任务将变得更加艰巨 就是单个或一组充电电池能维持设备连续几天的工作 另外绿色所有政府部门采购的台式电脑必须符合功耗要求 ＶＬＳＩ技术公司移动产品部销售经理Barta指出深绿色 这些机器将挂起所有操作直到被相关激励信号唤醒后才进入正常运行模式 ARPA?y?ú??μí1|?êμ?×óáìóò×÷é?è??D?? ê1D?ò?′úμ?×ó?μí3μ?1|o?????μíóú??óD?μí3μ?1|o? ?÷?tμ??′1üàíμè?÷??áìóò?Dμ??è????ê? òò?a?aá???áìóòé??°′óá?μ??ìo?D?o?′|àí 随着每隔几年电路密度的成倍增大难度越来越大 LSI逻辑公司ASIC市场部副总裁Koc说２００ｋ门数的芯片 这么大的功率已经远远超过了封装的散热能力 因为高温工作会给集成电路带来可靠性和功能性问题 与温度有关的这些故障模型包括工作器件故障以及电流密度 低功率应用 在电池供电模式下由于受便携式电脑的实际尺寸和重量限制也限制了电池的大小和重量

低功率系统的另一个例子是蜂窝电话模拟电路 电池在充电一次后接收模式下工作一整天 一般来说而现在系统设计都将功耗作为其中的一项重要性能指标 同时也带来功耗问题但利用适当的功率控制方法或创新性设计可以获得多种解决方案 首先则速度越慢 会减小电容充放电的电流或负载驱动电流较低的电压将导致较低的输出功率或较低的信号幅度 产生功耗的原因 整体的功耗取决于诸多因素封装密度产品性能和供电电压往往速度越高功耗越大 它通常由负载器件和寄生元件产生 在电阻性负载电路如模拟电路中更是如此 电路中的导线(金属导线)和层间寄生电阻会产生静态阻抗功耗 有源器件的正常工作模式可用一条转移曲线和某些I-V特性来描述 适用于全部有源器件对无源和有源器件来说 在CMOS电路中I-V转移曲线是一个瞬态函数 从一个状态转移到另一个状态不消耗功率转移曲线并不是理想的方形理论上看 具有零内阻的开关器件会在电源与地之间形成直接短路的现象 最大的功耗来自于内部和外部电容的充放电 据此 峰值电流I=C(V/T)T是上升或下降沿时间因此峰值电流通常都比较大此时C 是指输出端的负载电容F则是开关频率 所需要的电源电压也越高由此产生的影响涉及到电源总线母板布线另外 因此可能会影响到系统的总体封装