嵌入式系統(tǒng)的低功耗軟件設(shè)計(jì)
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低功耗是嵌入式電子產(chǎn)品必須具備的一個(gè)關(guān)鍵特性，在硬件技術(shù)飛速發(fā)展和日益完善的時(shí)候，已經(jīng)很難有功耗方面的突破了。所以現(xiàn)在降低產(chǎn)品功耗主要是依靠軟件來處理，必須依靠軟件讓整個(gè)系統(tǒng)在各個(gè)時(shí)候電流達(dá)到最小。不管是操作系統(tǒng)、BIOS控制程序還是外設(shè)驅(qū)動程序，這些程序?qū)Q定了最終產(chǎn)品的功耗水平，因此在開發(fā)時(shí)必須加以考慮。本論文將以智能電話為例，介紹一種通過軟件降低功耗的方法，可供嵌入式設(shè)計(jì)工程師們參考。實(shí)現(xiàn)省電降低功耗的方法有很多，本文不可能面面俱到，將主要介紹軟件程序如何控制物理層進(jìn)行省電。
具體實(shí)現(xiàn)措施
系統(tǒng)描述及設(shè)計(jì)思想
目前國內(nèi)智能電話的數(shù)字多媒體解決方案一般通過基于ARM7等內(nèi)核的基帶嵌入式處理芯片外接多媒體處理芯片來實(shí)現(xiàn)。嵌入式處理器是硬件系統(tǒng)的核心，運(yùn)行功耗占系統(tǒng)功耗的大部分。目前，嵌入式處理芯片一般采用RISC體系結(jié)構(gòu)，通過簡化指令設(shè)計(jì)、引入流水線技術(shù)、指令預(yù)取、大量寄存器操作和高速緩存等技術(shù)提高運(yùn)行效率，并采用低電壓工作模式以降低運(yùn)行功耗。嵌入式處理芯片一般為應(yīng)用開發(fā)提供了三種工作模式：運(yùn)行模式(Run)、空閑模式(Idle)和休眠模式 (STandby)。運(yùn)行模式即正常工作模式，CPU全速運(yùn)行；空閑模式時(shí)CPU是靜態(tài)的，但LCD刷新電路和晶振都工作。在不同運(yùn)行模式下，處理器工作時(shí)功耗數(shù)值差別較大；以Cirrus Logic公司EP7211(ARM7核)嵌入式處理器為例，開發(fā)手冊中寫到，在18MHz工作頻率下，運(yùn)行時(shí)消耗電流是20mA，空閑時(shí)消耗電流是 6mA，而休眠時(shí)消耗電流300mA。
本嵌入式產(chǎn)品系統(tǒng)(智能電話)中的基帶嵌入式處理器芯片將采用展訊的SC6600芯片平臺，多媒體芯片則采用廣達(dá)的QCP1880芯片平臺，音頻編解碼芯片采用WolfsON 8750芯片，LCD采用HIMAX8309。作為手機(jī)產(chǎn)品，電池一般在800~1200mA時(shí)左右，待機(jī)要求80小時(shí)以上，這就要求系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)時(shí)候的電流在10mA以下，關(guān)機(jī)后的電流在mA級以下。SC6600在睡眠模式下一般有3~5mA左右電流，QCP1880在睡眠模式下一般會有10mA左右電流，斷電后在200mA左右，音頻部分在空閑模式大概有270mA，在待機(jī)時(shí)SC6600的3~5mA固有電流沒辦法省掉，所以QCP1880必須斷電。
低功耗設(shè)計(jì)的基本思想是：讓系統(tǒng)各個(gè)部分在需要的時(shí)候才處于工作狀態(tài)，其他時(shí)候處于各部分的省電狀態(tài)。大部分的嵌入式處理器都具有正常工作模式和省電工作模式，最常用的是空閑模式，此時(shí)處理器內(nèi)核指令執(zhí)行部分關(guān)閉，時(shí)鐘頻率降低，空閑模式比處理器執(zhí)行指令時(shí)的功耗要小得多。空閑模式一個(gè)主要特點(diǎn)是其進(jìn)入退出基本上不需要額外開銷，通常一個(gè)或幾個(gè)指令周期能完成。外設(shè)部分硬件一般也有省電處理設(shè)計(jì)，軟件主要是控制外設(shè)在沒有工作時(shí)處于省電狀態(tài)，甚至關(guān)掉整個(gè)外設(shè)，在需要時(shí)再掛上。
功能設(shè)計(jì)
在大體上，本系統(tǒng)省電處理主要分為三塊：基帶芯片(SC6600)，普通外設(shè)(能很方便地在使用時(shí)打開，不用時(shí)關(guān)掉的設(shè)備，如LCD等)，多媒體芯片(QCP18800)。
*基帶芯片(SC6600)的處理：
由于很多中斷都能把處理器從空閑模式中喚醒，所以采用智能等待這種模式。讓處理器平常處于空閑模式，把隨機(jī)事件和實(shí)時(shí)要求比較高的都掛在中斷上，當(dāng)事件發(fā)生處理器能很快被喚醒，處理這些事件。其他有規(guī)律的事件和實(shí)時(shí)性要求不高的用定時(shí)器去進(jìn)行掃描。這種等待機(jī)理應(yīng)用很普遍，現(xiàn)今大多數(shù)PDA和智能電話都是由具有空閑模式功能的處理器和操作系統(tǒng)控制，處理器只有在有用戶操作或有任務(wù)處理時(shí)才處于正常工作狀態(tài)，其他時(shí)候都是處于空閑(SLEEP)狀態(tài)，這樣最大程度提高電源效率。例如，在用手機(jī)看電子書時(shí)，處理器處于空閑狀態(tài)，當(dāng)用戶翻頁或其他操作(按鍵、觸屏等)時(shí)，處理器將被喚醒處理相應(yīng)的操作，處理完又進(jìn)入空閑狀態(tài)。
對于CPU的處理，后臺起一個(gè)線程監(jiān)控系統(tǒng)CPU的使用情況，當(dāng)CPU處于空閑狀態(tài)時(shí)，且系統(tǒng)其他模塊也允許CPU 睡眠的時(shí)候，CPU立刻進(jìn)入睡眠模式。
基帶芯片的處理流程圖見圖1。
圖1 基帶芯片的處理流程
*普通外設(shè)的省電處理：
除LCD 和背光外，其他外設(shè)在CPU進(jìn)入睡眠模式之前被關(guān)掉。LCD和背光用做用戶的操作界面需要的是友好性，所以讓用戶可以設(shè)置。在用戶設(shè)定的時(shí)間用完后自動熄滅。其他外設(shè)如音頻模塊，在沒有聲音時(shí)就關(guān)閉，需要播放聲音時(shí)再打開。音頻模塊本來有睡眠模式，但其電流沒達(dá)到要求，所以斷開了其電源讓它進(jìn)入斷電模式，這里有個(gè)缺點(diǎn)是，以前初始化和后來設(shè)置好的參數(shù)就會丟失，需要在打開初始化時(shí)重新設(shè)置(浪費(fèi)些資源記錄它的狀態(tài))。LCD及背光處理流程圖見圖2。
圖2 LCD及背光處理流程圖
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