嵌入式系統的低功耗軟件方案

摘要： 本文將討論嵌入式產(chǎn)品如何在嵌入式多媒體芯片基礎上利用軟件提高產(chǎn)品待機能力，提高省電性能。

關(guān)鍵詞： 嵌入式多媒體芯片；低功耗；省電性能

引言

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。所以現在降低產(chǎn)品功耗主要是依靠軟件來(lái)處理，必須依靠軟件讓整個(gè)系統在各個(gè)時(shí)候電流達到最小。不管是操作系統、BIOS控制程序還是外設驅動(dòng)程序，這些程序將決定了最終產(chǎn)品的功耗水平，因此在開(kāi)發(fā)時(shí)必須加以考慮。本論文將以智能電話(huà)為例，介紹一種通過(guò)軟件降低功耗的方法，可供嵌入式設計工程師們參考。實(shí)現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)現措施

系統描述及設計思想

目前國內智能電話(huà)的數字多媒體解決方案一般通過(guò)基于A(yíng)RM7等內核的基帶嵌入式處理芯片外接多媒體處理芯片來(lái)實(shí)現。嵌入式處理器是硬件系統的核心，運行功耗占系統功耗的大部分。目前，嵌入式處理芯片一般采用RISC體系結構，通過(guò)簡(jiǎn)化指令設計、引入流水線(xiàn)技術(shù)、指令預取、大量寄存器操作和高速緩存等技術(shù)提高運行效率，并采用低電壓工作模式以降低運行功耗。嵌入式處理芯片一般為應用開(kāi)發(fā)提供了三種工作模式：運行模式(Run)、空閑模式(Idle)和休眠模式(Standby)。運行模式即正常工作模式，CPU全速運行；空閑模式時(shí)CPU是靜態(tài)的，但LCD刷新電路和晶振都工作。在不同運行模式下，處理器工作時(shí)功耗數值差別較大；以Cirrus Logic公司EP7211(ARM7核)嵌入式處理器為例，開(kāi)發(fā)手冊中寫(xiě)到，在18MHz工作頻率下，運行時(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(智能電話(huà))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。作為手機產(chǎn)品，電池一般在800~1200mA時(shí)左右，待機要求80小時(shí)以上，這就要求系統在待機狀態(tài)時(shí)候的電流在10mA以下，關(guān)機后的電流在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(huì )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，在待機時(shí)SC6600的3~5mA固有電流沒(méi)辦法省掉，所以QCP1880必須斷電。

低功耗設計的基本思想是：讓系統各個(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)處理器內核指令執行部分關(guān)閉，時(shí)鐘頻率降低，空閑模式比處理器執行指令時(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(kāi)銷(xiāo)，通常一個(gè)或幾個(gè)指令周期能完成。外設部分硬件一般也有省電處理設計，軟件主要是控制外設在沒(méi)有工作時(shí)處于省電狀態(tài)，甚至關(guān)掉整個(gè)外設，在需要時(shí)再掛上。

功能設計

在大體上，本系統省電處理主要分為三塊：基帶芯片(SC6600)，普通外設(能很方便地在使用時(shí)打開(kāi)，不用時(shí)關(guān)掉的設備，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，把隨機事件和實(shí)時(shí)要求比較高的都掛在中斷上，當事件發(fā)生處理器能很快被喚醒，處理這些事件。其他有規律的事件和實(shí)時(shí)性要求不高的用定時(shí)器去進(jìn)行掃描。這種等待機理應用很普遍，現今大多數PDA和智能電話(huà)都是由具有空閑模式功能的處理器和操作系統控制，處理器只有在有用戶(hù)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，在用手機看電子書(shū)時(shí)，處理器處于空閑狀態(tài)，當用戶(hù)翻頁(yè)或其他操作(按鍵、觸屏等)時(shí)，處理器將被喚醒處理相應的操作，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(xiàn)程監控系統CPU的使用情況，當CPU處于空閑狀態(tài)時(shí)，且系統其他模塊也允許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(jiàn)圖1。

圖1 基帶芯片的處理流程

*普通外設的省電處理：
除LCD 和背光外，其他外設在CPU進(jìn)入睡眠模式之前被關(guān)掉。LCD和背光用做用戶(hù)的操作界面需要的是友好性，所以讓用戶(hù)可以設置。在用戶(hù)設定的時(shí)間用完后自動(dòng)熄滅。其他外設如音頻模塊，在沒(méi)有聲音時(shí)就關(guān)閉，需要播放聲音時(shí)再打開(kāi)。音頻模塊本來(lái)有睡眠模式，但其電流沒(méi)達到要求，所以斷開(kāi)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(lái)設置好的參數就會(huì )丟失，需要在打開(kāi)初始化時(shí)重新設置(浪費些資源記錄它的狀態(tài))。LCD及背光處理流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 LCD及背光處理流程圖

*關(guān)于多媒體芯片(QCP1880)：
(1) VDD( Power for Operation Mode Module)；(2)IOVDD (Power for All IO Module)；(3) VDD_ON( Power for ByPass Mode Module)。說(shuō)明：1.切斷VDD和保持PDEN為低，QCP1880耗電將低于200mA。2. QCP1880進(jìn)入IDLE(空閑)狀態(tài)，耗電在10mA左右。3. QCP1880進(jìn)入最省電狀態(tài)后，其GPIO口不能保持。如果進(jìn)入這種狀態(tài)后,要讓GPIO口保持高，則外部要通過(guò)上拉電阻接到IOVDD，如果要GPIO口保持高低，則外部要通過(guò)下拉電阻接到地。4．切斷VDD和保持PDEN為低后，QCP1880里的程序將會(huì )丟失，重新裝載的時(shí)間比較久(500ms左右)。

在應用方面芯片主要功能是：MP3/MIDI/AAC/AMR/MP4回放；AMR、MP4錄制;拍照和圖片回放；USB/UDISK；GPIO接口；CODEC(聲卡驅動(dòng))；SD卡文件系統。

該芯片在待機時(shí)，電流為10mA，切斷主電源電流能下降到mA級。工作時(shí)，電流較大，且根據功能的不同而不同。多媒體芯片能夠自動(dòng)到待機狀態(tài)。不能達到要求，必須要讓其進(jìn)入斷電狀態(tài)。又因為涉及模塊比較多，所以不能簡(jiǎn)單的直接關(guān)閉QCP1880。針對于本嵌入式系統不能隨意切斷QCP 電源的原因，所以采用了查詢(xún)的方法。即在CPU進(jìn)入睡眠模式之前會(huì )查詢(xún)QCP1880的狀態(tài)，當LCD和背光都是熄滅的狀態(tài)下，會(huì )切斷QCP1880的主電源。(因為L(cháng)CD部分電流較大，且頻繁下載QCP的效率低下，所以在LCD和背光都亮時(shí)不會(huì )切斷QCP的主電源)。

圖3  QCP1880的電源由三組電源組成

在喚醒后同樣有3類(lèi)，其中喚醒CPU和普通外設的流程比較簡(jiǎn)單，所以略過(guò)。喚醒QCP存在一個(gè)下載的過(guò)程(切斷電源時(shí)，QCP內部的代碼已經(jīng)丟失)，如下載完全功能的版本需要的時(shí)間比較長(cháng)，在一些對時(shí)間要求嚴格的地方有些問(wèn)題(如按鍵時(shí)指示燈的響應，指示燈是用QCP1880控制的)。這里采用的是先下載一個(gè)比較小的版本，完成那些需要快速響應的操作，然后再下載完全功能的版本，當然這跟省電的關(guān)系不大，只是省電引起的一個(gè)小問(wèn)題。值得注意的是此處需要QCP在切換版本時(shí)GPIO能保持不變。喚醒后，系統一般會(huì )先調用QCP GPIO的功能，每個(gè)QCP 的API都有調用QCP_LOCK();所以在這里進(jìn)行裝載工作。在處理上，系統也分了3類(lèi)來(lái)處理這些外設，其中基帶芯片部分和一般外設一類(lèi)，LCD處理一類(lèi)，QCP芯片部分處理一類(lèi)?；鶐酒糠值奶幚砗蚅CD的處理完全獨立，LCD會(huì )影響QCP芯片的處理。QCP的處理流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 QCP的處理流程圖

部分接口函數詳細代碼設計

由于通過(guò)控制各個(gè)模塊的時(shí)鐘頻率以及電源開(kāi)關(guān)可以達到省電效果，比如說(shuō)SD存儲器的開(kāi)關(guān)，不用SD存儲器的時(shí)候就可以關(guān)掉，或是不需要高速存取的時(shí)候，就可以把SD存儲器的頻率降低，以求省電。下面以L(fǎng)CD模塊的代碼為例來(lái)說(shuō)明LCD省電的詳細思路。其他模塊的代碼設計思想與其一致，這里不再贅述。

#define POWER_SAVING_TIME (60*1000)  // 間隔時(shí)間
#define LCD_CONTROLLER_POWER 0x22400000   //LCD控制寄存器的地址
extern unsigned  int  System_Time;  //全局變量存儲系統時(shí)間
unsigned  int  Last_Keystroke_Time;  //最后的觸發(fā)事件的時(shí)間
void Sys_SetAlarm(unsigned int T);  //設置當前任務(wù)時(shí)間
void User_Press_A_Key(void)   //當有外部事件觸發(fā)將調用此函數
{ if(*(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) == 0) {
  *(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) = 1;
 }
}
Void User_Input_Task(void)  //當有觸發(fā)事件到來(lái)執行該函數
{
 static unsigned int  previous_key_time;  
previous_key_time = Last_Keystroke_Time;
while(1) {
Sys_SetAlarm(POWER_SAVING_TIME);
  if(previous_key_time == Last_Keystroke_Time) {
            /*一分鐘內沒(méi)有任何外部事件觸發(fā)，將關(guān)閉LCD */
  *(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) = 0;
  }
  else 
previous_key_time = Last_Keystroke_Time;
  }
}

省電性能測試總結

圖5 整個(gè)多媒體芯片系統的轉化流程示意圖

嵌入式系統目前在多個(gè)行業(yè)得到廣泛應用，低功耗是其性能指標之一?；诠膶?shí)現設計硬件平臺后，低功耗實(shí)現主要從軟件方面來(lái)解決。本文基于嵌入式系統特征及其功能實(shí)現，采用程序優(yōu)化技術(shù)來(lái)降低功耗。經(jīng)過(guò)測試，整合多媒體芯片的無(wú)線(xiàn)終端平均功耗下降了50%。其中在正常待機時(shí)，電流為400mA左右，而在睡眠時(shí)降到了200mA左右；如果應用深度睡眠(關(guān)閉SC6600、QCP1880和所有設備，維持一個(gè)32kHz的時(shí)鐘)電流甚至可以降到10~20mA，完全滿(mǎn)足長(cháng)時(shí)間待機。實(shí)驗表明，利用本軟件構架，可以對無(wú)線(xiàn)終端實(shí)行之有效的省電管理?，F已用于諸多無(wú)線(xiàn)移動(dòng)多媒體終端項目(智能電話(huà)等)，效果理想。由于限于篇幅，不再贅述。

參考文獻：

1.   Mehta, R.; Owens, R.M.; Irwin, M.J.; Chen, R.; Ghosh, D. "Techniques for low energy software". Low Power Electronics and Design, 1997. Proceedings., 1997 International Symposium on , 1997 Page(s): 72 -75
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