基于WinCE5.0的嵌入式設(shè)備休眠喚醒技術(shù)研究

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中降低設(shè)備功耗以提高續(xù)航能力是其設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)[1]。在休眠狀態(tài)，系統(tǒng)處于最低電流消耗狀態(tài)，同時(shí)仍維持存儲(chǔ)區(qū)中的內(nèi)容，為了減少能量消耗和延長電池壽命，需要讓處理器定期進(jìn)入或退出休眠模式[2]。Windows CE 作為一個(gè)廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備上的操作系統(tǒng)，提供了完善的電源管理功能。其中，休眠喚醒便是一個(gè)重要的功能。本文在結(jié)合S3C2440硬件基礎(chǔ)上分析休眠喚醒過程，分別采用外部中斷喚醒和RTC中斷喚醒兩種方法實(shí)現(xiàn)了休眠喚醒，并給出了具體實(shí)現(xiàn)代碼。根據(jù)相應(yīng)喚醒需求，將這兩種方法應(yīng)用于北京化工大學(xué)診斷與自愈工程研究中心的一款基于S3C2440和WindowsCE 5.0的嵌入式智能巡檢分析診斷儀，結(jié)果表明能準(zhǔn)確達(dá)到實(shí)際的設(shè)置要求，效果良好。

1 休眠喚醒過程分析

對于電源控制邏輯模塊，S3C2440 有多種電源管理方案以針對須執(zhí)行的任務(wù)保持最優(yōu)的電源消耗。S3C2440 中的電源管理模塊對應(yīng) 4 種模式：NORMAL 模式、SLOW 模式、IDLE 模式和SLEEP模式。

在SLEEP模式下，電源管理模塊關(guān)閉內(nèi)部電源，因此，CPU 和內(nèi)部邏輯模塊都沒有電源消耗，但除了此模式下的喚醒模塊。激活SLEEP模式需要2個(gè)獨(dú)立的電源，其中一個(gè)為喚醒模塊供電，另一個(gè)為包括CPU的其他邏輯模塊供電，并且可以由power on/off控制。在SLEEP模式下，給CUP和內(nèi)部邏輯單元供電的第二個(gè)電源被關(guān)閉，只有喚醒模塊是工作的。這種狀態(tài)下，可以通過外部中斷 EINT[15:0]或定時(shí)器的RTC(real time control)中斷將系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)中喚醒[3]。

在睡眠模式下，VDDi、VDDiam、VDDMPLL以及VDDUPLL會(huì)被關(guān)閉,其由PWREN引腳來控制，如PWREN信號被置位，VDDi和VDDiam則由一個(gè)外部變壓器供電。當(dāng)PWREN=0時(shí)，VDDi和VDDiam被關(guān)閉。

有多種方法可以使系統(tǒng)進(jìn)入休眠，例如在Windows CE的桌面上，點(diǎn)左下角的開始圖標(biāo)，然后選擇 “掛起”;或者，在應(yīng)用程序或驅(qū)動(dòng)中調(diào)用SetSystemPowerState()函數(shù)，都可以讓系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。實(shí)際上，這兩種方法殊途同歸，最終都需要通過OEM層OEMPowerOff()函數(shù)依次調(diào)用BSPPowerOff()函數(shù)，以關(guān)閉板級的相關(guān)電源，保存所有寄存器的值，關(guān)閉背光;調(diào)用 ConfigStopGPIO()函數(shù)，設(shè)置各IO休眠后的狀態(tài);如果支持KITL，調(diào)用OALKitlPowerOff()函數(shù)關(guān)閉KITL功能;調(diào)用 OALCPUPoweroff()函數(shù)，使得CPU進(jìn)入休眠模式。OALCPUPoweroff()函數(shù)保存當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)，把CPU上一些寄存器里的數(shù)據(jù)保存到RAM里去，然后禁止RAM自刷新的功能，加入喚醒中斷源，最后使CPU進(jìn)入休眠模式。當(dāng)CPU處于Sleep狀態(tài)時(shí)，RAM不會(huì)斷電，這樣 RAM中的數(shù)據(jù)就不會(huì)丟失，當(dāng)CPU被喚醒后使用RAM里的數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)。

當(dāng)相應(yīng)的中斷源觸發(fā)時(shí)，CPU就會(huì)被喚醒，電流消耗變大了，需要說明的是，此處僅喚醒CPU，之后才喚醒WINCE系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)由SLEEP到 NORMAL切換期間需經(jīng)過一個(gè)RESET過程,這個(gè)過程稱為 Power On Reset 。在S3C2440 CPU中,寄存器GSTATUS2專門用以判斷發(fā)生Reset原因。Power On Reset后，在之前SLEEP過程中保存下來的RAM中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)是不會(huì)丟失的。本文需要設(shè)計(jì)的喚醒子系統(tǒng)，就是把這些數(shù)值恢復(fù)到它們休眠前應(yīng)處的地址。

在Bootloader中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)的具體步驟如下：

(1)如果有喚醒源被觸發(fā)，內(nèi)部的復(fù)位信號就會(huì)動(dòng)作。這和外部的 nReset引腳觸發(fā)非常相似。復(fù)位持續(xù)時(shí)間由內(nèi)部的 16 bit計(jì)數(shù)器邏輯決定，通過reset 復(fù)位決斷時(shí)間可以計(jì)算tRST=(65535/XTAL_frequency);

(2)通過檢測GSTATUS2[2]，判斷是否是由SLEEP模式喚醒引起的電源開啟;

(3)通過設(shè)置 MISCCR[19:17]=000b，釋放 SDRAM 的信號保護(hù);

(4)配置 SDRAM 內(nèi)存控制器;

(5)等待，直到 SDRAM 自刷新被釋放，結(jié)束等待。大部分SDRAM需要等待所有 SDRAM 行的自刷新周期;

(6)GSTATUS[3:4]的信息可用于保存用戶自定義數(shù)據(jù)，因?yàn)樵?GSTATUS[3:4]中的值在睡眠模式下被保留;

(7)對 EINT[3:0]，檢查 SRCPND 寄存器;對EINT[15:4]，查看 EINTPEND 寄存器而不是SRCPND寄存器。(盡管EINTPEND寄存器的一些位被置位，SRCPND 寄存器不會(huì)被置位)。

以上是一個(gè)通用的休眠喚醒過程，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)不同情況使用不同的喚醒方式。例如，以休眠模式待機(jī),在需要使用儀器時(shí)才喚醒系統(tǒng)的情況下，就需要一個(gè)諸如按鍵的外部中斷來喚醒系統(tǒng);而對于僅做一個(gè)保存掛起動(dòng)作的情況，即刻自動(dòng)喚醒系統(tǒng)則更為便捷。S3C2440就提供了兩種喚醒實(shí)現(xiàn)方式：外部中斷實(shí)現(xiàn)方式和RTC中斷實(shí)現(xiàn)方式。

2 基于外部中斷的休眠喚醒

正如之前提到的，在OALCPUPoweroff里，系統(tǒng)進(jìn)入休眠前，正確設(shè)置外部喚醒中斷，才能夠喚醒CPU。正確設(shè)置喚醒中斷源，有3個(gè)要點(diǎn)：

(1)把對應(yīng)的GPIO設(shè)置為中斷功能;

(2)明確外部中斷觸發(fā)條件，如將某種喚醒使用的中斷源所對應(yīng)的IO接到一個(gè)按鍵上，需要通過按下按鍵實(shí)現(xiàn)喚醒，需要明確當(dāng)按下這個(gè)按鍵時(shí)，IO接口上的電平會(huì)如何變化;

(3)根據(jù)按鍵按下時(shí)IO電平的變化條件設(shè)置EXTINTn寄存器。當(dāng)按下按鍵時(shí)，IO口上的電平會(huì)發(fā)生從高到低的變化，那么就設(shè)置對應(yīng)的EXTINTn，使得中斷觸發(fā)條件為Falling edge triggered即下降沿觸發(fā)。

通過如下代碼實(shí)現(xiàn)了通過按鍵K1、K2的外部中斷喚醒方式：

; 6. Setting Wakeup External Interrupt(EINT0,1,2) Mode

ldr r0, =vGPIOBASE

ldr r1, =0x5566//按鍵K1,K2(EINT0，EINT2)

str r1, [r0, #oGPFCON]

ldr r1, =0x82

str r1, [r0, #oEXTINT0]

此段代碼，首先設(shè)置了外部中斷0和外部中斷2的中斷功能，接著設(shè)置了中斷的觸發(fā)方式:下降沿觸發(fā)方式。

當(dāng)Windows CE操作系統(tǒng)在基于S3C2440的智能巡檢分析診斷儀完全啟動(dòng)后，按下“掛起”鍵，待屏幕顯示消失后，開始實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：按下按鍵K1，使系統(tǒng)立即重新啟動(dòng)，重新進(jìn)入Windows CE操作系統(tǒng);

實(shí)驗(yàn)二：按下按鍵K2，使系統(tǒng)立即重新啟動(dòng)，重新進(jìn)入Windows CE操作系統(tǒng);

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：即按即啟，沒有延遲，達(dá)到了外部中斷-按鍵喚醒系統(tǒng)的理想效果。

3 基于RTC中斷的休眠喚醒

S3C2440內(nèi)部RTC模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。RTC模塊的有3種功能：產(chǎn)生時(shí)鐘滴答、實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)和作為系統(tǒng)的觸發(fā)喚醒器[4]。RTC模塊可以在處理器的掉電模式或普通模式在設(shè)定時(shí)間(由BCD數(shù)據(jù)給出)和當(dāng)前時(shí)間相同時(shí)發(fā)生報(bào)警。在普通模式下,ALM INT(報(bào)警中斷)處于激活狀態(tài)。在掉電模式下, PMWKUP (電源管理喚醒信號)與ALM INT一起處于報(bào)警狀態(tài)[5]。[!--empirenews.page--]

相關(guān)的寄存器有RTCCON、RTCALM和ALMSEC等，設(shè)置代碼如下：

ldr r0,=vRTCBASE ;;;RTC alarm

ldr r1,=0x01

str r1,[r0,#oRTCCON]

ldr r1,=0x41

str r1,[r0,#oRTCALM]

ldr r1,=0x10 ;;10s喚醒

str r1,[r0,#oALMSEC]

此段代碼，首先設(shè)置RTC控制的可用,然后設(shè)置RTC報(bào)警中斷中，秒中斷可用,因?yàn)楸疚囊詥拘褧r(shí)間10 s為例，所以僅用到了秒級中斷，最后設(shè)定喚醒時(shí)間10 s。

當(dāng)Windows CE操作系統(tǒng)在基于S3C2440的智能巡檢分析診斷儀完全啟動(dòng)后，按下“掛起”鍵，在“掛起”動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)代碼中設(shè)置串口打印語句，顯示“Start”標(biāo)志，在系統(tǒng)被喚醒時(shí)設(shè)置串口打印語句，顯示“End”標(biāo)志，通過DNW軟件，觀察串口打印信息，記錄“Start”和“End”之間的用時(shí)，即為喚醒時(shí)間，10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知平均用時(shí)10.04 s,與預(yù)計(jì)用時(shí)10.0 s的相對誤差為0.4%，在工程應(yīng)用上，基本達(dá)到操作要求。

研究過程后期，在確認(rèn)相應(yīng)設(shè)置正確的前提下，系統(tǒng)仍無法正常喚醒，在重新分析整個(gè)流程設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)在S3C2440的官方BSP(板級支持包)中存在一個(gè)BUG：系統(tǒng)休眠時(shí)保存數(shù)據(jù)的虛擬地址設(shè)置錯(cuò)誤，SLEEPDATA_BASE_VIRTUAL設(shè)置為0xAC028000，而此處和 Bootloader中的SLEEPDATA_BASE_PHYSICAL 都設(shè)定為0x30028000。根據(jù)地址映射表里面的設(shè)置是：DCD 0x80000000, 0x30000000, 64; 32 MB DRAM BANK 6，因此虛擬地址是0xA0028000。將虛擬地址修改后，即可正常喚醒。

本文通過深入分析休眠喚醒過程，在基于S3C2440和WindowsCE5.0的平臺(tái)上分別通過外部中斷喚醒和RTC中斷喚醒兩種方法實(shí)現(xiàn)了休眠喚醒。文中所述的原理和方法不僅適用于上述指定的硬件平臺(tái)，還適用于其他使用Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。應(yīng)用表明，這兩種方法實(shí)現(xiàn)了不同情況下的喚醒，達(dá)到了理想的效果，該儀器工作穩(wěn)定，性能良好，已進(jìn)入小規(guī)模量產(chǎn)階段。