嵌入式系統的低功耗軟件設計
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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?？臻e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
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