嵌入式系统的低功耗软件方案

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。[page]

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)。

图3  QCP1880的电源由三组电源组成

在唤醒后同样有3类，其中唤醒CPU和普通外设的流程比较简单，所以略过。唤醒QCP存在一个下载的过程(切断电源时，QCP内部的代码已经丢失)，如下载完全功能的版本需要的时间比较长，在一些对时间要求严格的地方有些问题(如按键时指示灯的响应，指示灯是用QCP1880控制的)。这里采用的是先下载一个比较小的版本，完成那些需要快速响应的操作，然后再下载完全功能的版本，当然这跟省电的关系不大，只是省电引起的一个小问题。值得注意的是此处需要 QCP在切换版本时GPIO能保持不变。唤醒后，系统一般会先调用QCP GPIO的功能，每个QCP 的API都有调用QCP_LOCK();所以在这里进行装载工作。在处理上，系统也分了3类来处理这些外设，其中基带芯片部分和一般外设一类，LCD处理一类，QCP芯片部分处理一类。基带芯片部分的处理和LCD的处理完全独立，LCD会影响QCP芯片的处理。QCP的处理流程图见图4。

图4 QCP的处理流程图

部分接口函数详细代码设计

由于通过控制各个模块的时钟频率以及电源开关可以达到省电效果，比如说SD存储器的开关，不用SD存储器的时候就可以关掉，或是不需要高速存取的时候，就可以把SD存储器的频率降低，以求省电。下面以LCD模块的代码为例来说明LCD省电的详细思路。其他模块的代码设计思想与其一致，这里不再赘述。[page]

#define POWER_SAVING_TIME (60*1000)  // 间隔时间
#define LCD_CONTROLLER_POWER 0x22400000   //LCD控制寄存器的地址
extern unsigned  int  System_Time;  //全局变量存储系统时间
unsigned  int  Last_Keystroke_Time;  //最后的触发事件的时间
void Sys_SetAlarm(unsigned int T);  //设置当前任务时间
void User_Press_A_Key(void)   //当有外部事件触发将调用此函数
{ if(*(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) == 0) {
  *(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) = 1;
 }
}
Void User_Input_Task(void)  //当有触发事件到来执行该函数
{
 static unsigned int  previous_key_time;  
previous_key_time = Last_Keystroke_Time;
while(1) {
Sys_SetAlarm(POWER_SAVING_TIME);
  if(previous_key_time == Last_Keystroke_Time) {
            /*一分钟内没有任何外部事件触发，将关闭LCD */
  *(unsigned int *)(LCD_CONTROLLER_POWER) = 0;
  }
  else 
previous_key_time = Last_Keystroke_Time;
  }
}

省电性能测试总结

图5 整个多媒体芯片系统的转化流程示意图

嵌入式系统目前在多个行业得到广泛应用，低功耗是其性能指标之一。基于功耗实现设计硬件平台后，低功耗实现主要从软件方面来解决。本文基于嵌入式系统特征及其功能实现，采用程序优化技术来降低功耗。经过测试，整合多媒体芯片的无线终端平均功耗下降了50%。其中在正常待机时，电流为400mA左右，而在睡眠时降到了200mA左右；如果应用深度睡眠(关闭SC6600、QCP1880和所有设备，维持一个32kHz的时钟)电流甚至可以降到10~20mA，完全满足长时间待机。实验表明，利用本软件构架，可以对无线终端实行之有效的省电管理。现已用于诸多无线移动多媒体终端项目(智能电话等)，效果理想。由于限于篇幅，不再赘述。

参考文献：

1.   Mehta, R.; Owens, R.M.; Irwin, M.J.; Chen, R.; Ghosh, D. "Techniques for low energy software". Low Power Electronics and Design, 1997. Proceedings., 1997 International Symposium on , 1997 Page(s): 72 -75
2.  邵贝贝. 单片机嵌入式应用的在线开发方法. 北京：清华大学出版社，2004
3.  刘慧银，等. Motorola微控制器MC68HC08原理及其嵌入式应用，北京：清华大学出版社，2001