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实例分析嵌入式系统的低功耗软件设计方案
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2017-10-25
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引言
低功耗是嵌入式电子产品必须具备的一个关键特性，在硬件技术飞速发展和日益完善的时候，已经很难有功耗方面的突破了。所以现在降低产品功耗主要是依靠软件来处理，必须依靠软件让整个系统在各个时候电流达到最小。不管是操作系统、BIOS控制程序还是外设驱动程序，这些程序将决定了最终产品的功耗水平，因此在开发时必须加以考虑。本论文将以智能电话为例，介绍一种通过软件降低功耗的方法，可供嵌入式设计工程师们参考。实现省电降低功耗的方法有很多，本文不可能面面俱到，将主要介绍软件程序如何控制物理层进行省电。
具体实现措施
系统描述及设计思想
目前国内智能电话的数字多媒体解决方案一般通过基于ARM7等内核的基带嵌入式处理芯片外接多媒体处理芯片来实现。嵌入式处理器是硬件系统的核心，运行功耗占系统功耗的大部分。目前，嵌入式处理芯片一般采用RISC体系结构，通过简化指令设计、引入流水线技术、指令预取、大量寄存器操作和高速缓存等技术提高运行效率，并采用低电压工作模式以降低运行功耗。嵌入式处理芯片一般为应用开发提供了三种工作模式：运行模式（Run）、空闲模式（Idle）和休眠模式 （STandby）。运行模式即正常工作模式，CPU全速运行；空闲模式时CPU是静态的，但LCD刷新电路和晶振都工作。在不同运行模式下，处理器工作时功耗数值差别较大；以Cirrus Logic公司EP7211（ARM7核）嵌入式处理器为例，开发手册中写到，在18MHz工作频率下，运行时消耗电流是20mA，空闲时消耗电流是 6mA，而休眠时消耗电流300mA。
本嵌入式产品系统（智能电话）中的基带嵌入式处理器芯片将采用展讯的SC6600芯片平台，多媒体芯片则采用广达的QCP1880芯片平台，音频编解码芯片采用WolfsON 8750芯片，LCD采用HIMAX8309。作为手机产品，电池一般在800~1200mA时左右，待机要求80小时以上，这就要求系统在待机状态时候的电流在10mA以下，关机后的电流在mA级以下。SC6600在睡眠模式下一般有3~5mA左右电流，QCP1880在睡眠模式下一般会有10mA左右电流，断电后在200mA左右，音频部分在空闲模式大概有270mA，在待机时SC6600的3~5mA固有电流没办法省掉，所以QCP1880必须断电。
低功耗设计的基本思想是：让系统各个部分在需要的时候才处于工作状态，其他时候处于各部分的省电状态。大部分的嵌入式处理器都具有正常工作模式和省电工作模式，最常用的是空闲模式，此时处理器内核指令执行部分关闭，时钟频率降低，空闲模式比处理器执行指令时的功耗要小得多。空闲模式一个主要特点是其进入退出基本上不需要额外开销，通常一个或几个指令周期能完成。外设部分硬件一般也有省电处理设计，软件主要是控制外设在没有工作时处于省电状态，甚至关掉整个外设，在需要时再挂上。
功能设计
在大体上，本系统省电处理主要分为三块：基带芯片（SC6600），普通外设（能很方便地在使用时打开，不用时关掉的设备，如LCD等），多媒体芯片（QCP18800）。
*基带芯片（SC6600）的处理：
由于很多中断都能把处理器从空闲模式中唤醒，所以采用智能等待这种模式。让处理器平常处于空闲模式，把随机事件和实时要求比较高的都挂在中断上，当事件发生处理器能很快被唤醒，处理这些事件。其他有规律的事件和实时性要求不高的用定时器去进行扫描。这种等待机理应用很普遍，现今大多数PDA和智能电话都是由具有空闲模式功能的处理器和操作系统控制，处理器只有在有用户操作或有任务处理时才处于正常工作状态，其他时候都是处于空闲（SLEEP）状态，这样最大程度提高电源效率。例如，在用手机看电子书时，处理器处于空闲状态，当用户翻页或其他操作（按键、触屏等）时，处理器将被唤醒处理相应的操作，处理完又进入空闲状态。
对于CPU的处理，后台起一个线程监控系统CPU的使用情况，当CPU处于空闲状态时，且系统其他模块也允许CPU 睡眠的时候，CPU立刻进入睡眠模式。
基带芯片的处理流程图见图1。
图1 基带芯片的处理流程
*普通外设的省电处理：
除LCD 和背光外，其他外设在CPU进入睡眠模式之前被关掉。LCD和背光用做用户的操作界面需要的是友好性，所以让用户可以设置。在用户设定的时间用完后自动熄灭。其他外设如音频模块，在没有声音时就关闭，需要播放声音时再打开。音频模块本来有睡眠模式，但其电流没达到要求，所以断开了其电源让它进入断电模式，这里有个缺点是，以前初始化和后来设置好的参数就会丢失，需要在打开初始化时重新设置（浪费些资源记录它的状态）。LCD及背光处理流程图见图2。
图2 LCD及背光处理流程图
*关于多媒体芯片（QCP1880）：
（1） VDD（ Power for OperaTIon Mode Module）；（2）IOVDD （Power for All IO Module）；（3） VDD_ON（ Power for ByPass Mode Module）。说明：1.切断VDD和保持PDEN为低，QCP1880耗电将低于200mA。2. QCP1880进入IDLE（空闲）状态，耗电在10mA左右。3. QCP1880进入最省电状态后，其GPIO口不能保持。如果进入这种状态后，要让GPIO口保持高，则外部要通过上拉电阻接到IOVDD，如果要 GPIO口保持高低，则外部要通过下拉电阻接到地。4．切断VDD和保持PDEN为低后，QCP1880里的程序将会丢失，重新装载的时间比较久 （500ms左右）。
在应用方面芯片主要功能是：MP3/MIDI/AAC/AMR/MP4回放；AMR、MP4录制;拍照和图片回放；USB/UDISK；GPIO接口；CODEC（声卡驱动）；SD卡文件系统。
该芯片在待机时，电流为10mA，切断主电源电流能下降到mA级。工作时，电流较大，且根据功能的不同而不同。多媒体芯片能够自动到待机状态。不能达到要求，必须要让其进入断电状态。又因为涉及模块比较多，所以不能简单的直接关闭QCP1880。针对于本嵌入式系统不能随意切断QCP 电源的原因，所以采用了查询的方法。即在CPU进入睡眠模式之前会查询QCP1880的状态，当LCD和背光都是熄灭的状态下，会切断QCP1880的主电源。（因为LCD部分电流较大，且频繁下载QCP的效率低下，所以在LCD和背光都亮时不会切断QCP的主电源）。
低功耗是嵌入式电子产品必须具备的一个关键特性，在硬件技术飞速发展和日益完善的时候，已经很难有功耗方面的突破了。所以现在降低产品功耗主要是依靠软件来处理，必须依靠软件让整个系统在各个时候电流达到最小。不管是操作系统、BIOS控制程序还是外设驱动程序，这些程序将决定了最终产品的功耗水平，因此在开发时必须加以考虑。本论文将以智能电话为例，介绍一种通过软件降低功耗的方法，可供嵌入式设计工程师们参考。实现省电降低功耗的方法有很多，本文不可能面面俱到，将主要介绍软件程序如何控制物理层进行省电。
具体实现措施
系统描述及设计思想
目前国内智能电话的数字多媒体解决方案一般通过基于ARM7等内核的基带嵌入式处理芯片外接多媒体处理芯片来实现。嵌入式处理器是硬件系统的核心，运行功耗占系统功耗的大部分。目前，嵌入式处理芯片一般采用RISC体系结构，通过简化指令设计、引入流水线技术、指令预取、大量寄存器操作和高速缓存等技术提高运行效率，并采用低电压工作模式以降低运行功耗。嵌入式处理芯片一般为应用开发提供了三种工作模式：运行模式（Run）、空闲模式（Idle）和休眠模式 （STandby）。运行模式即正常工作模式，CPU全速运行；空闲模式时CPU是静态的，但LCD刷新电路和晶振都工作。在不同运行模式下，处理器工作时功耗数值差别较大；以Cirrus Logic公司EP7211（ARM7核）嵌入式处理器为例，开发手册中写到，在18MHz工作频率下，运行时消耗电流是20mA，空闲时消耗电流是 6mA，而休眠时消耗电流300mA。
本嵌入式产品系统（智能电话）中的基带嵌入式处理器芯片将采用展讯的SC6600芯片平台，多媒体芯片则采用广达的QCP1880芯片平台，音频编解码芯片采用WolfsON 8750芯片，LCD采用HIMAX8309。作为手机产品，电池一般在800~1200mA时左右，待机要求80小时以上，这就要求系统在待机状态时候的电流在10mA以下，关机后的电流在mA级以下。SC6600在睡眠模式下一般有3~5mA左右电流，QCP1880在睡眠模式下一般会有10mA左右电流，断电后在200mA左右，音频部分在空闲模式大概有270mA，在待机时SC6600的3~5mA固有电流没办法省掉，所以QCP1880必须断电。
低功耗设计的基本思想是：让系统各个部分在需要的时候才处于工作状态，其他时候处于各部分的省电状态。大部分的嵌入式处理器都具有正常工作模式和省电工作模式，最常用的是空闲模式，此时处理器内核指令执行部分关闭，时钟频率降低，空闲模式比处理器执行指令时的功耗要小得多。空闲模式一个主要特点是其进入退出基本上不需要额外开销，通常一个或几个指令周期能完成。外设部分硬件一般也有省电处理设计，软件主要是控制外设在没有工作时处于省电状态，甚至关掉整个外设，在需要时再挂上。
功能设计
在大体上，本系统省电处理主要分为三块：基带芯片（SC6600），普通外设（能很方便地在使用时打开，不用时关掉的设备，如LCD等），多媒体芯片（QCP18800）。
*基带芯片（SC6600）的处理：
由于很多中断都能把处理器从空闲模式中唤醒，所以采用智能等待这种模式。让处理器平常处于空闲模式，把随机事件和实时要求比较高的都挂在中断上，当事件发生处理器能很快被唤醒，处理这些事件。其他有规律的事件和实时性要求不高的用定时器去进行扫描。这种等待机理应用很普遍，现今大多数PDA和智能电话都是由具有空闲模式功能的处理器和操作系统控制，处理器只有在有用户操作或有任务处理时才处于正常工作状态，其他时候都是处于空闲（SLEEP）状态，这样最大程度提高电源效率。例如，在用手机看电子书时，处理器处于空闲状态，当用户翻页或其他操作（按键、触屏等）时，处理器将被唤醒处理相应的操作，处理完又进入空闲状态。
对于CPU的处理，后台起一个线程监控系统CPU的使用情况，当CPU处于空闲状态时，且系统其他模块也允许CPU 睡眠的时候，CPU立刻进入睡眠模式。
基带芯片的处理流程图见图1。
图1 基带芯片的处理流程
*普通外设的省电处理：
除LCD 和背光外，其他外设在CPU进入睡眠模式之前被关掉。LCD和背光用做用户的操作界面需要的是友好性，所以让用户可以设置。在用户设定的时间用完后自动熄灭。其他外设如音频模块，在没有声音时就关闭，需要播放声音时再打开。音频模块本来有睡眠模式，但其电流没达到要求，所以断开了其电源让它进入断电模式，这里有个缺点是，以前初始化和后来设置好的参数就会丢失，需要在打开初始化时重新设置（浪费些资源记录它的状态）。LCD及背光处理流程图见图2。
图2 LCD及背光处理流程图
*关于多媒体芯片（QCP1880）：
（1） VDD（ Power for OperaTIon Mode Module）；（2）IOVDD （Power for All IO Module）；（3） VDD_ON（ Power for ByPass Mode Module）。说明：1.切断VDD和保持PDEN为低，QCP1880耗电将低于200mA。2. QCP1880进入IDLE（空闲）状态，耗电在10mA左右。3. QCP1880进入最省电状态后，其GPIO口不能保持。如果进入这种状态后，要让GPIO口保持高，则外部要通过上拉电阻接到IOVDD，如果要 GPIO口保持高低，则外部要通过下拉电阻接到地。4．切断VDD和保持PDEN为低后，QCP1880里的程序将会丢失，重新装载的时间比较久 （500ms左右）。
在应用方面芯片主要功能是：MP3/MIDI/AAC/AMR/MP4回放；AMR、MP4录制;拍照和图片回放；USB/UDISK；GPIO接口；CODEC（声卡驱动）；SD卡文件系统。
该芯片在待机时，电流为10mA，切断主电源电流能下降到mA级。工作时，电流较大，且根据功能的不同而不同。多媒体芯片能够自动到待机状态。不能达到要求，必须要让其进入断电状态。又因为涉及模块比较多，所以不能简单的直接关闭QCP1880。针对于本嵌入式系统不能随意切断QCP 电源的原因，所以采用了查询的方法。即在CPU进入睡眠模式之前会查询QCP1880的状态，当LCD和背光都是熄灭的状态下，会切断QCP1880的主电源。（因为LCD部分电流较大，且频繁下载QCP的效率低下，所以在LCD和背光都亮时不会切断QCP的主电源）。
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