|
闡述在集成傳呼功能、基于嵌入式處理器EP7211開(kāi)發(fā)實(shí)現的二合一鐵路交通信息系統PDA中，為了降低系統的功耗，從硬件和軟件兩方面采取的各種措施。這些措施基于一定的低功耗設計原則，具有普遍性，適合一般的嵌入式系統開(kāi)發(fā)。 PDA即Personal Digital Assitant（個(gè)人數字助理）的縮寫(xiě)，是近年來(lái)繼尋呼機和移動(dòng)電話(huà)之后，在國內市場(chǎng)迅速崛起的便攜式電子產(chǎn)品。目前，國內傳統性能的PDA產(chǎn)品經(jīng)過(guò)前幾年的高速發(fā)展后，市場(chǎng)需求基本飽和。不過(guò)，經(jīng)過(guò)行業(yè)應用改造后的PDA產(chǎn)品，如文曲星、藍火等已經(jīng)在國內市場(chǎng)大顯身手了。分析市場(chǎng)需求，我們研發(fā)了集成傳呼功能的、專(zhuān)門(mén)面向交通行業(yè)應用的鐵路交通信息系統PDA。本PDA系統除了具備傳統PDA的個(gè)人名片管理、辭典檢索、信息速記功能外，更重要的是提供交通領(lǐng)域的民航各種航班查詢(xún)和全國鐵路列車(chē)的刻表查詢(xún)，通過(guò)傳呼系統及時(shí)廣播鐵路和民航行業(yè)應用方面的如航班晚點(diǎn)、車(chē)次晚點(diǎn)、剩余票額等相關(guān)行業(yè)信息。 PDA系統屬于便攜式電子產(chǎn)品。這類(lèi)產(chǎn)品， 性能指標日益向實(shí)用化、方便化發(fā)展。產(chǎn)品不僅要求功能完備，用戶(hù)界面友好，操作方便簡(jiǎn)潔，而且要求產(chǎn)品壽命長(cháng)，功耗低。 產(chǎn)品低功耗設計一般從硬件和軟件兩個(gè)角度來(lái)考慮。本文重點(diǎn)闡述該PDA系統所采用的降低系統功耗的各種措施。 1 鐵路交通信息系統PDA的體系結構 在分析本PDA系統的功能性和非功能需求，充分了解市場(chǎng)硬件行性的基礎上，設計了本PDA系統，其硬件體系結構框圖如圖1所示。 嵌入式處理器EP7211（核心模塊）進(jìn)行數據處理，傳呼譯碼芯片接收傳呼信息并根據傳呼協(xié)議自動(dòng)譯碼；LCD提供數據顯示輸出，觸摸屏提供用戶(hù)輸入接口；Flash用來(lái)存儲可執行應用程序和數據；SRAM為程序運行提供內存空間；語(yǔ)音錄放電路完成快速語(yǔ)音記憶功能；串口和紅外口完成相關(guān)的數據通信工作；電源電路為嵌入式處理器和各外圍設備提供所需要的工作電壓。 嵌入式處理器EP7211是Cirrus Logic公司專(zhuān)門(mén)為低成本、超低功耗的嵌入式應用設計。它包含基于RISC體系結構的ARM7TDMI處理器內核和豐富的外圍接口，如CODEC音頻接口、SPI串行A/D接口、單色LCD接口、RAM接口、串行紅外接口、PWM接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC以及電源檢測接口等。這些豐富的外圍接口，不僅降低了系統的設計難度，同時(shí)也提高了系統工作的可靠性。EP7211的內核電路工作在2.5V，而外圍電路工作在3.3V。它可根據具體情況對內核的時(shí)鐘進(jìn)行動(dòng)態(tài)編程控制，可工作在18MHz、36MHz、49MHz和74MHz。另外，EP7211還有三種基本的工作狀態(tài)：正常操作（operating）、空閑（idle）和等待（standby）。在等待模式時(shí)，主時(shí)鐘被關(guān)斷，整個(gè)CPU及相關(guān)外圍（除中斷和RTC）關(guān)斷，但可通過(guò)觸摸屏中斷、傳呼中斷或復位按鈕來(lái)喚醒。 系統軟件開(kāi)發(fā)平臺采用了我們自主開(kāi)發(fā)研制的、專(zhuān)門(mén)面向嵌入式應用系統開(kāi)發(fā)的XGW平臺。XGW開(kāi)發(fā)平臺措鑒Windows消息驅動(dòng)機制，是用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)實(shí)現的；它功能強大，模塊化設計，擴展性強，產(chǎn)品升級容易，而且開(kāi)發(fā)人員較為熟悉，開(kāi)發(fā)成本低，其總體框架如圖2所示。 圖2全面反應了XGW軟件開(kāi)發(fā)平臺的體系結構，包括事件消息驅動(dòng)機制（XGW軟件開(kāi)發(fā)平臺中的消息分為鼠標消息、鍵盤(pán)消息和定時(shí)器消息等三類(lèi)）、內存管理、字符和圖形顯示輸出、圖形組件庫等。圖形組件庫中的編輯框、列表框、按鈕、進(jìn)度條等圖形控件為用戶(hù)應用程序開(kāi)發(fā)提供了應用編程接口A(yíng)PI。不過(guò)，XGW平臺對于系統硬件的中斷響應沒(méi)有提供統一的入口和出口，需要開(kāi)發(fā)人員單獨處理。 2 硬件低功耗 硬件低功耗主要從芯片制造工藝流程和硬件體系架構的角度出發(fā)，基本原理是盡量選用能夠滿(mǎn)足功能要求的功耗低的芯片。不過(guò)，芯片自身的功耗參數由制造廠(chǎng)商來(lái)決定，此處主要闡述CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗以及動(dòng)態(tài)電源管理兩個(gè)方面。 (1)CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗 隨著(zhù)半導體制造技術(shù)的發(fā)展，數字電路從TTL工藝轉向CMOS工藝。TTL工藝為電流注入型電路，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流消耗接近。CMOS工藝是壓控型的，理想情況下("0"、"1"的恒定狀態(tài))靜態(tài)電流為0，實(shí)際情況下也是很小的。動(dòng)態(tài)("0"、"1"間的跳變狀態(tài))電流消耗占絕對主導地位。CMOS動(dòng)態(tài)功耗計算公式為 式中： Pd--CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗； Ce--CMOS芯片等效電容； V--CMOS芯片工作電壓； f--CMOS芯片工作頻率或工作狀態(tài)的切換頻率。 從式（1）及各參數含義看，CMOS芯片動(dòng)態(tài)功耗的數值正比于工作電壓的平方，同時(shí)正比于工作頻率。在滿(mǎn)足系統功能需求的條件下， 降低芯片工作電壓和工作頻率，都可以極大減少芯片的動(dòng)態(tài)功耗。以處理器工作頻率為例，如果工作頻率降低一半，則該芯片動(dòng)態(tài)功耗幾乎也隨之減半。在本PDA系統中，盡管ARM7處理器提供了18MHz、；36MHz、49MHz和74MHz四種工作頻率，但我們采用2.5V為低壓供電，18MHz工作頻率。這些參數在降低系統功耗的同時(shí)，也滿(mǎn)足了系統性能的需求。 （2）動(dòng)態(tài)電源管理 動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)是指有選擇地將閑置的系統模塊置于低能狀態(tài)。一個(gè)較為復雜的嵌入式系統，除了處理器外還有很多外設電路模塊，它們協(xié)調工作，共同完成系統功能。 但在分析完成系統功能的過(guò)程中可以看出，并不是所有模塊在任何時(shí)間都處在工作狀態(tài)。除了嵌入式處理器外，絕大多數外設模塊都是在執行某項具體功能的時(shí)候（它自己的有效操作期間）才需要供電。如音頻模塊，有語(yǔ)音輸入或者輸出時(shí)才需要工作；在進(jìn)行串口通信時(shí)，串口芯片需要處在工作狀態(tài)；而在更多的時(shí)間里，這些芯片都是不需要工作的。 為了系統功耗最小，動(dòng)態(tài)電源管理的原則是系統完成某項功能，只有參與這項功能的模塊才供電，其它模塊設置在電源切斷狀態(tài)。在電路設計時(shí)，需要充分考慮到這個(gè)問(wèn)題，盡可能為各外設模塊提供切換供電機制的引腳控制信號，而且允許通過(guò)軟件編程的措施來(lái)完成其電路開(kāi)關(guān)的切換工作。 本PDA系統中，除了嵌入式處理器外，還有異步串口、語(yǔ)音編譯碼芯片、音頻功放、傳呼、LCD、收音機等外部設備。傳呼的接收具有隨機性，需要一直處在工作狀態(tài)。串口、語(yǔ)音芯片、功放電路、LCD等可以通過(guò)一定口地址的設置來(lái)控制電源開(kāi)關(guān)，使之在工作的時(shí)候提供電壓，在不工作的時(shí)候切斷電源。 各外設模塊電源口地址配置如表1所列。 表1 口地址 功能 工作條件 PA4 LCD背光控制 低電平 PA5～PA6 紅外口控制 取值00 PD1 LCD電源電路 高電平 PD2 LCD點(diǎn)顯示電路 高電平 PE0 控制語(yǔ)音播放 高電平 PE1 控制音頻功放 低電平 3 軟件低功耗 嵌入式系統開(kāi)發(fā)中除了硬件低功耗措施外，也可以從軟件方面來(lái)設計。嵌入式系統軟件低功耗措施一般涉及到處理器工作狀態(tài)間的切換、應用模塊軟件算法的選擇和系統整體的數據調度三個(gè)方面。 (1)處理器工作狀態(tài) 便攜式系統工作過(guò)程中，處理器并不是任何時(shí)候都一直忙于運行，尤其是PDA來(lái)產(chǎn)品。如今的嵌入式處理器（包括EP7211）一般都為應用開(kāi)發(fā)提供了三種工作狀態(tài)：運行、空閑和休眠。大量的實(shí)際使用表明，更多情況下，大部分時(shí)間里系統是處在休眠狀態(tài)的，一旦獲得工作信號，會(huì )迅速切換到工作狀態(tài)。當系統在工作狀態(tài)下一定時(shí)間內沒(méi)有獲得下一次需要處理的信號時(shí)，則應該自動(dòng)切空閑或者休眠狀態(tài)。因為在不同的工作狀態(tài)，處理器內部工作電路有所變化，功耗大小差別較大。 本PDA系統采用的ARM處理器，在不同工作條件和狀態(tài)下的功耗哪表2所列。 表2 名 稱(chēng) 頻率/MHz 消耗電流最大值/mA 條 件 休眠狀態(tài) 300μA 32kHz時(shí)鐘晶振工作，I/O口處于禁止 空閑狀態(tài) 18 6 晶振都在工作，LCD刷新處于激活狀態(tài)，CPU是靜態(tài)的 空閑狀態(tài) 36 12 同上 運行狀態(tài) 18 20 整個(gè)系統處于激活狀態(tài)，正在執行程序 運行狀態(tài) 36 40 同上 注：直流供電電壓2.5V 從表2中明顯看出，處理器不同條件和狀態(tài)下的功耗參數大小的差別。在18MHz頻率下，運行功耗(20mA)是空閑功耗（6mA）的近4倍，空閑功耗又是休眠功耗300μA的20倍。我們的目的是在不影響系統正常運行的過(guò)程中，盡最大可能使系統處在空閑休眠狀態(tài)來(lái)降低系統功耗；因此，我們應該通過(guò)預測系統執行過(guò)程的措施來(lái)切換處理器的工作狀態(tài)。分析式（1）可知，我們又不能頻繁過(guò)快地進(jìn)行處理器狀態(tài)切換，中間要留有一定的穩定時(shí)間間隔。 XGW軟件開(kāi)發(fā)平臺采用事件消息驅動(dòng)機制。消息采用查詢(xún)方式，能夠實(shí)時(shí)響應外部中斷。在消息循環(huán)過(guò)程中，系統需要查詢(xún)消息隊列：當有消息出隊時(shí)，處理器在運行狀態(tài)處理這個(gè)消息所對應的事件；如果一這時(shí)間間隔（如2s）消息隊列一直是空，系統預測在最近相當長(cháng)的時(shí)間內不會(huì )有事件產(chǎn)生，軟件編程措施把處理器從運行狀態(tài)切到空閑狀態(tài)；如果系統在更長(cháng)的時(shí)間內（如20s）沒(méi)有事件產(chǎn)生，則系統預測用戶(hù)需要自動(dòng)軟關(guān)機，此時(shí)處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，處理器能夠響應實(shí)時(shí)時(shí)鐘匹配中斷、傳呼接收中斷以及復位按鍵；一旦系統捕獲到這類(lèi)信號，則迅速轉入到正常工作狀態(tài)。處理器在運行狀態(tài)和空閑狀態(tài)間的切換間隔是必需的，如果切換速度過(guò)快，并不能達到降低系統功耗的目的。 為了縮短處理器從空閑或者運行狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的時(shí)間，系統同時(shí)提供了用戶(hù)手動(dòng)軟關(guān)機措施，即通過(guò)觸筆直接點(diǎn)擊屏幕某一指定區域來(lái)實(shí)現。 本PDA系統中，ARM7處理器三種工作狀態(tài)的轉換如圖3所示。 圖3中各數字含義如表3所列。 表3 序 號 狀態(tài)轉換條件 1、3 系統20s內一直不能捕捉到消息或者人為點(diǎn)擊屏幕某一指定區域 2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘匹配中斷、傳呼中斷、按鍵喚醒 4 運行狀態(tài)下系統2s內一直不能捕捉到消息 5 產(chǎn)生中斷信號、捕捉到消息事件 (2)軟件算法的選擇 在應用程序編程實(shí)現過(guò)程中，求解同一個(gè)問(wèn)題，可以有許多不同的算法。評價(jià)一個(gè)算法好壞的常用參數是算法時(shí)間復雜度、算法空間復雜度和算法的易理解編碼和調試性。算法時(shí)間復雜度定義為算法的時(shí)間耗費，即算法所求解問(wèn)題規模（求解問(wèn)題的輸入量）n的函數。時(shí)間復雜度一般用O(n)來(lái)表示，當n達到一定規模時(shí)，時(shí)間復雜度越小，執行效率越高，招待時(shí)間越短，系統功耗越低。算法空間復雜度定義為該算法所耗費的存儲空間，它也是問(wèn)題規模n的函數。 我們總是希望選用一個(gè)所占存儲空間小、運行時(shí)間短、其它性能也好的算法。然而實(shí)際上很難做到十全十美，原因是上述要求有時(shí)相互抵觸， 如節約算法執行時(shí)間需要以犧牲一定的存儲空間為代價(jià)，反之亦然。因此，我們只能根據具體情況有所側重。在本PDA系統中具體硬件配置時(shí)，CPU工作頻率不高，存儲空間運行不大；但應用程序數據量大，而且某些應用程序如辭典互譯、時(shí)刻表檢索時(shí)數據運算量也大。 如要在本PDA系統中實(shí)現英漢辭典互譯，首先會(huì )想到采用順序檢索法。這種算法對用戶(hù)輸入詞匯排列順序沒(méi)有要求，編程實(shí)現和理解起來(lái)都比較簡(jiǎn)單，其算法時(shí)間復雜度為O(n)=n。當n值較小時(shí)，這是可以允許的；但是當系統詞匯量近10 000個(gè)時(shí)，算法檢索效率不高，表現為當詞語(yǔ)位置偏后時(shí)系統檢索延遲過(guò)大。為了提高檢索效率，滿(mǎn)足一定的系統反應實(shí)時(shí)性要求，我們采用了有序表二分搜索算法，其算法時(shí)間復雜度O(n)=log2n。假設n=16 384=2 14已經(jīng)超出系統的數據規模（10 000詞左右）。二分檢索所需要的最壞檢索次數是14次；但是對于順序檢索而言，在最壞查找的情況下，檢索次數是16 384次，故效率提高了16 284/14=1170倍。這個(gè)數目是相當可觀(guān)的，而且，即使系統數據規模進(jìn)一步擴大，二分檢索表現出來(lái)的所增加的檢索次數也是很小的。辭典互譯實(shí)現二分檢索所要做的附加工作，就是將原來(lái)無(wú)序的辭典數據文件轉換成有序的辭典數據文件。不過(guò)，這個(gè)轉換工作可以在PC機上完成從而減輕本嵌入式系統的負荷。辭典數據排序和檢索過(guò)程中英漢辭典依據ASCII碼進(jìn)行，漢英辭典根據漢字的區位碼進(jìn)行。本PDA系統的民航時(shí)刻表、鐵路時(shí)刻表等應用模塊，也都涉及到了算法選擇問(wèn)題。 （3）數據調度 在許多應用程序中，存儲器訪(fǎng)問(wèn)是功耗的主要部分。有資料表明，內存傳輸是迄今為止CPU完成的操作中代價(jià)最高的：一次內存傳輸消耗的能量是一次加法運算的33倍多。優(yōu)化能量消耗的最大收益之一，來(lái)源于合理組織內存中的數據和指令：一般措施是盡量做到數據的寄存器訪(fǎng)問(wèn)和緩存訪(fǎng)問(wèn)。 隨著(zhù)存儲技術(shù)理論的發(fā)展和工藝水平的提高，現在存儲器體系結構一般都是三級，而且支持虛擬存儲技術(shù)，如圖4所示。 處理器進(jìn)行數據訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，離CPU越近的地方，數據存取速度越快，功耗越低。本PDA系統中，由于Flash存儲器（作為數據存儲器件）寫(xiě)操作的特殊性（以扇區大小為單位、執行時(shí)間長(cháng)、執行功耗大），要求盡量少地進(jìn)行�；谶@種策略，本PDA系統在數據安排方面采取了以下一些優(yōu)化措施： ①LCD幀緩存的安排。EP7211內置38 400字節大小的RAM空間，LCD分辨率是320%26;#215;240,每像素4級灰度用2比特位表示，故顯存大小為320%26;#215;240%26;#215;2/8=19 200字節，被安排在內置RAM空間的前19 200字節。這樣安排，加快了顯示速度，減少了處理器訪(fǎng)問(wèn)片外SRAM空間。 ②個(gè)人傳呼信息、公共傳呼信息接收頻度大，不需要永久存儲；傳呼接收過(guò)程需要開(kāi)臂兩塊緩沖區，這些空間都被安排在內部RAM后19 200字節，其目的是減少了CPu對片外SRAM的訪(fǎng)問(wèn)。 ③部分系統信息資源，如字庫信息，在系統啟動(dòng)后直接從Flash存儲區拷貝到固定位置的SRAM區，這樣字符輸出時(shí)直接從內存讀取數據，而不需要訪(fǎng)問(wèn)Flash。 ④為減少Flash寫(xiě)操作執行次數，在電話(huà)簿、記事本、日程以及系統設定等編輯修改后，首先改動(dòng)的信息是在內存中直接保存，等到用戶(hù)是退出當前整個(gè)應用模塊時(shí)，才進(jìn)行一個(gè)性Flash寫(xiě)操作。 ⑤在進(jìn)行復雜數據查找過(guò)程中，為減少數據訪(fǎng)問(wèn)量，可以通過(guò)建立若干級索引表方式加快數據檢索速度。如在辭典文件的詞匯排序過(guò)程中，同時(shí)建立了每個(gè)單詞位置的數據索引，而且作為索引文件定改Flash。在查找過(guò)程中，索引項的存在能夠減少檢索次數，從而快速確定單詞起始位置以及整個(gè)單詞項目長(cháng)度，供顯示輸出。不過(guò)在增加索引時(shí)，也會(huì )增加一定的空間復雜度。 另外，系統還可以通過(guò)代碼壓縮減少總線(xiàn)上的傳輸量；編譯器優(yōu)化，消除冗余代碼；消除編程中的遞歸過(guò)程調用、減少函數調用的開(kāi)銷(xiāo)；有效使用寄存器等措施來(lái)降低系統功耗。有關(guān)這些措施請見(jiàn)參考文獻。 4 低功耗設計綜合闡述 以上分別從硬件和軟件兩方面闡述了嵌入式系統開(kāi)發(fā)中低功耗設計的一些原則及在本產(chǎn)品中的某些具體體現。經(jīng)試驗測得，本PDA系統功耗如表4所列。 表4 條件（18MHz、2.4V） 消耗電流/mA 注 釋 待機 79 系統全速執行條件下的功耗數據 開(kāi)機 2527 收傳呼 5558 啟動(dòng)背光 8385 背光功耗 53 單功能模塊功耗數據 LCD功耗 22 揚聲器 10 語(yǔ)音編譯碼芯片 11 紅外口 6 本PDA產(chǎn)品除了提代外接電源供電電路，同時(shí)還提供內置可充鎳氫雙電池供電系統。設單節電池容量是500mA，則系統待機時(shí)間是1000小時(shí)/8=125小時(shí)，基本上可以滿(mǎn)足實(shí)際應用的需要。隨著(zhù)對嵌入式系統低功耗設計的深刻理解和硬軟件方面某些措施的改進(jìn)，包括借鑒目前國內外一些廠(chǎng)家低功耗設計經(jīng)驗，則在改進(jìn)的產(chǎn)品中，表4的某些數據還可能再降低一些，更好地滿(mǎn)足產(chǎn)品的低功耗要求。 其實(shí)嵌入式系統開(kāi)發(fā)中低功耗設計是個(gè)系統的概念，硬件上既要在單元級考慮，也要在單元逐步集成系統的階段上全面評估。因此，即使系統中每個(gè)模塊都是嚴格采用低功耗設計的，但在集成整個(gè)系統時(shí)也不一定能完全保證整個(gè)系統是低功耗的，低功耗設計階段應該在進(jìn)行系統規劃的同時(shí)就充分考慮進(jìn)去，而且需要建立模型進(jìn)行低功耗評估，一旦不滿(mǎn)足設計要求導致偏差較大時(shí)，應該及時(shí)修正模型。應用軟件在數據結構的安排上，也要考慮到具體的硬件配置。因為有些效率的提高，比如考慮引表的建立，是以犧牲一定的存儲空間為代價(jià)的。如果存儲空間太小，就需要權衡兩者的矛盾。 |
