嵌入式系統(tǒng)的低功耗軟件設(shè)計(jì)

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(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?？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

*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，則外部要通過上拉電阻接到IOVDD，如果要 GPIO口保持高低，則外部要通過下拉電阻接到地。4．切斷VDD和保持PDEN為低后，QCP1880里的程序?qū)G失，重新裝載的時(shí)間比較久 (500ms左右)。

在應(yīng)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(qū)動)；SD卡文件系統(tǒng)。

該芯片在待機(jī)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(jù)功能的不同而不同。多媒體芯片能夠自動到待機(jī)狀態(tài)。不能達(dá)到要求，必須要讓其進(jìn)入斷電狀態(tài)。又因?yàn)樯婕澳K比較多，所以不能簡單的直接關(guān)閉QCP1880。針對于本嵌入式系統(tǒng)不能隨意切斷QCP 電源的原因，所以采用了查詢的方法。即在CPU進(jìn)入睡眠模式之前會查詢QCP1880的狀態(tài)，當(dāng)LCD和背光都是熄滅的狀態(tài)下，會切斷QCP1880的主電源。(因?yàn)長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?xí)r不會切斷QCP的主電源)。

圖3QCP1880的電源由三組電源組成

在喚醒后同樣有3類，其中喚醒CPU和普通外設(shè)的流程比較簡單，所以略過。喚醒QCP存在一個(gè)下載的過程(切斷電源時(shí)，QCP內(nèi)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，在一些對時(shí)間要求嚴(yán)格的地方有些問題(如按鍵時(shí)指示燈的響應(yīng)，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(yīng)的操作，然后再下載完全功能的版本，當(dāng)然這跟省電的關(guān)系不大，只是省電引起的一個(gè)小問題。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(tǒng)一般會先調(diào)用QCP GPIO的功能，每個(gè)QCP 的API都有調(diào)用QCP_LOCK();所以在這里進(jìn)行裝載工作。在處理上，系統(tǒng)也分了3類來處理這些外設(shè)，其中基帶芯片部分和一般外設(shè)一類，LCD處理一類，QCP芯片部分處理一類。基帶芯片部分的處理和LCD的處理完全獨(dú)立，LCD會影響QCP芯片的處理。QCP的處理流程圖見圖4。

圖4 QCP的處理流程圖

部分接口函數(shù)詳細(xì)代碼設(shè)計(jì)

由于通過控制各個(gè)模塊的時(shí)鐘頻率以及電源開關(guān)可以達(dá)到省電效果，比如說SD存儲器的開關(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LCD模塊的代碼為例來說明LCD省電的詳細(xì)思路。其他模塊的代碼設(shè)計(jì)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 unsignedintSystem_Time;//全局變量存儲系統(tǒng)時(shí)間
unsignedintLast_Keystroke_Time;//最后的觸發(fā)事件的時(shí)間
void Sys_SetAlarm(unsigned int T);//設(shè)置當(dāng)前任務(wù)時(shí)間
void User_Press_A_Key(void)//當(dāng)有外部事件觸發(fā)將調(diào)用此函數(shù)
{ if(*(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) == 0) {
*(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) = 1;
}
}
Void User_Input_Task(void)//當(dāng)有觸發(fā)事件到來執(zhí)行該函數(shù)
{
static unsigned intprevious_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(nèi)沒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(jié)

圖5 整個(gè)多媒體芯片系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化流程示意圖

嵌入式系統(tǒng)目前在多個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，低功耗是其性能指標(biāo)之一?；诠膶?shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)硬件平臺后，低功耗實(shí)現(xiàn)主要從軟件方面來解決。本文基于嵌入式系統(tǒng)特征及其功能實(shí)現(xiàn)，采用程序優(yōu)化技術(shù)來降低功耗。經(jīng)過測試，整合多媒體芯片的無線終端平均功耗下降了50%。其中在正常待機(jī)時(shí)，電流為400mA左右，而在睡眠時(shí)降到了200mA左右；如果應(yīng)用深度睡眠(關(guān)閉SC6600、QCP1880和所有設(shè)備，維持一個(gè)32kHz的時(shí)鐘)電流甚至可以降到10~20mA，完全滿足長時(shí)間待機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，利用本軟件構(gòu)架，可以對無線終端實(shí)行之有效的省電管理?，F(xiàn)已用于諸多無線移動多媒體終端項(xiàng)目(智能電話等)，效果理想。由于限于篇幅，不再贅述。