（通信与信息系统专业论文）基于linux26嵌入式手持终端低功耗设计.pdf

摘要 近几年来在人们的嵌入式手持终端系统设计中，功耗问题逐渐成为普遍关注 的难点与热点，特别是对于电池供电系统。在电池的性能发展严重滞后嵌入式手 持终端设备需求的背景下，当今的低功耗设计被赋予了积极的现实应用意义。对 于手持终端的低功耗设计，目标就是在满足功能实现的前提下，尽量延长待机时 间。本课题从硬件设计和软件设计两方面进行了论述。 硬件低功耗设计重点放在低功耗处理器和外围器件的芯片选型，整体供电电 路设计。处理器供电电路允许处理器内核有不同的输入电压，同时从电路级的设 计角度来提高电池能量转换率。通过可变电压技术的应用来对处理器的低功耗设 计进行了研究，同时对外围l c d 器件提出了背光设计电路。 软件低功耗设计重点放在利用l i n u x 的调度机制，采用一定的算法来实现处 理器的工作模式转换和外围主要器件的睡眠和唤醒。嵌入式l i n u x 将普通l i n u x 操作系统进行裁剪、修改，使之能在嵌入式计算机系统上运行。对于处理器和外 围器件的电源管理，利用l i n u x 的固有数据结构，通过函数来实现不同的工作模 式的管理。 关键词：手持终端低功耗l i n u x 电源管理 a b s t r a c t t h ei s s u eo fl o wp o w e rd e s i g ni ne m b e d d e ds y s t e mi sp e r c e i v e da sf a t a l d i f f i c u l t y a n di sh o td i s c u s s e dr e c e n t l y ，e s p e c i a l l yi nb a r e r yp o w e rs y s t e m t h e d e v e l o p m e n to fb a t t e r y sp e r f o r m a n c el a gs om u c hc o m p a r e dw i t ht h en e e do ft h e e m b e d d e dd e v i c e ，s ol o wp o w e rd e s i g ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e n s i b l e t h e p u r p o s eo fl o wp o w e rd e s i g ni st om i n i m i z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fa ne m b e d d e d s y s t e ma n de x t e n dt h el i f e t i m eo fb a t t e r yw i t h o u tl o s i n gi t sp e r f o r m a n c e t h i sd e s i g n w i l ld e s c r i b es o m e t h i n gi nt w oa s p e c t s ：h a r d w a r ea n ds o f t w a r e l o wp o w e rd e s i g no fh a r d w a r ef o c u s e so nl o wp o w e rp r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a l s a n dt h e i rp o w e rs u p p l yd e s i g n t h ep o w e rs u p p l yo fp r o c e s s o ra l l o w st h a td i f f e r e n t v o l t a g es u p p l ya r ea v a i l a b l e ，m e a n w h i l ed e s i g na tc i r c u i tl e v e li s u s e f u lt ob o o s tt h e e f f i c i e n c yo fp o w e r t r a n s f e r t h ep o w e rs u p p l yo fp e r i p h e r a l sa r es e p a r a t e di n t od i g i t a l c i r c u i ta n da n a l o gc i r c u i tw h i c hw o r kt o g e t h e rw i t hs o f t w a r et oc o n t r o lt h eo n o f fo f t h ep e r i p h e r a l s l o wp o w e rd e s i g no fs o f t w a r ef o c u s e so nm e c h a n i s mo ft h el i n u xp o w e r m a n a g e m e n t ，a n dt h ea d o p t i v et e c h n o l o g yo ra l g o r i t h m s a r eu s e dt od y n a m i c a l l y c h a n g ep r o c e s s o r ss p e e da n dv o l t a g ea n d t oc o n t r o lt h e p e r i p h e r a l s o n o f f e m b e d d e dl i n u xc h a n g e df r o mo r d i n a r yl i nu xo sc a ns m o o t h l yr u no nt h e e m b e d d e ds y s t e m t ot h ep r o c e s s o r sp o w e rm a n a g e m e n t ，w ea d o p ta l g o r i t h m sa n d l i n u xd a t a s t r u c t u r e ，f i n a l l y r e a l i z et h ed i f f e r e n tm o d em a n a g e m e n t t ot h e p e r i p h e r a l s ，w ea d o p tl i n u x sp e r i p h e r a l sp o w e rm a n a g e m e n ta n df u n c t i o ni n t e r f a c et o r e a l i z et h e i ro n o f t k e yw o r d s ：h a n d s e t ，l o wp o w e rd e s i g n ，l i n u x ，p o w e rm a n a g e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一签名像柑期：切口弘 月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解吞凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。i 刊意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一签名峦剥 签字日期：劲铝年f 月1 日 导师签名： 私往 签字日期：乃年多月2 - e t 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 随着嵌入式系统的不断发展，其概念也在不断延伸和扩展，也有人将嵌入式系统 定义为：基于微处理器的，用以实现一项或多项任务，并且不能像个人电脑那样 被最终用户所编程的系统【2 j 。嵌入式系统的最大特点是其具有目的性或针对性， 即嵌入式系统是为了满足某个特定领域内的需求而开发的，因此它常常受到空 间、成本、存储等条件的限制。这也决定了嵌入式系统在实时性及功耗等方面较 其它计算机系统而言，有较为苛刻的要求。嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式 处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的类型已经超过1 0 0 0 种，流行的 体系结构有数十个系列。随着人们对嵌入式产品功能和性能要求的不断提高，以 8 0 5 l 、z 8 0 为代表的8 位控制器在运算速度、支持的外设种类、寻址空间及对 操作系统支持等方面已经很难满足高端嵌入式系统的需求。特别是在9 0 年代后 期，随着网络时代的来临和无线通讯技术的发展，许多嵌入式设备需要更智能化 和更强的计算能力。以a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等为代表的3 2 位高性能嵌入式 处理器由于其良好的可扩展性和丰富的软件支持，逐渐成为业界发展的主流，其 发展势头已经赶上并超越了p c 处理器。3 2 位的驱动力来自以下几个方面的要 求：更复杂的控制算法、网络通讯以及更成熟的人机界面【3 j 。与p c 处理器不同的 是，高性能嵌入式处理器除了将计算速度作为性能评价指标外，还将系统集成度 和整体功耗考虑进去。同时这些指标又相互促进、相互制约。如何取得各性能的 平衡，使之符合应用的需求，是嵌入式系统设计的重点1 4 1 。随着嵌入式系统性能 的不断提高，电池的性能达不到嵌入式系统对电池的要求。处理器的性能每18 个月就翻一番，与此同时，电池的能量密度每1 0 年才翻一番1 5 】。通讯系统对性 能的要求每8 5 个月就翻一番，这大约是处理器性能发展速度的两倍，是电池寿 命发展速度的1 4 倍。对移动通讯设备而言，低功耗与处理器速度和效率处于同 等重要的地位，它可为这类设备提供所需要的持久性性能。移动通讯设备高计算 能力所产生的功耗与其可持续工作时间之间的矛盾已经越来越突出，低功耗设计 是解决这一矛盾的必然要求。很多学者认为，低功耗技术将是研究下一代微处理 器系统所关心、研究和解决的重点目标之一1 6 】。 第章绪论 本课题的研究是基于通广天大实验室研究的手持式g s m r 通信终端进行的。 它是集语音通信、数据通信、信息显示等功能于一体的铁路平调系统专用设备。 硬件方面，终端采用了基于a r m 体系结构的$ 3 c 2 4 10 处理器，它的计算能力和 存储空间可以满足音频或高速数据处理等高端的嵌入式应用需求。软件方面，终 端采用嵌入式l i n u x 作为嵌入式操作系统。与其它的嵌入式操作系统如w i n c e 、 v x w o r k s 、p s o s 相比，l i n u x 具有适应多种体系结构的中央处理器( c p u ) 、性能 稳定、可裁剪性能好、开发和使用都很容易等特点1 7 】。然而，手持式的终端在提 供丰富功能的同时受到设备体积和待机时间的限制，解决其高性能与有限电池寿 命之间的矛盾是本课题研究工作的目标。课题主要围绕终端的硬件和软件设计， 提出一套在高性能、移动式的嵌入式系统中实现低功耗设计的方案。 1 2 国内外研究现状 嵌入式系统的低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益，国外发达国 家很早就注重对嵌入式系统的低功耗设计，在我国对于嵌入式系统低功耗设计也 正逐渐被重视起来。然而，由于国内嵌入式系统低功耗设计起步较晚，目前国内 嵌入式系统低功耗设计的水平还不太高，而且大多停留在追求局部、片面的低功 耗设计的层次上，真正整体全面的嵌入式系统低功耗设计理论还没有得到完全的 推广与应用。在低功耗的电子系统设计中，尤其是移动设备，需要一个纵向的综 合设计方案，从算法设计、系统体系结构到电路布线都需要仔细考虑到功耗因素。 如果算法和硬件的设计考虑周到，嵌入式系统能够实现较低的功耗并且不会牺牲 系统的性能。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，嵌入式技术迅速发展，已经成为通讯和消费产品 的共同发展方向。在通讯领域，手机、数字电视、无线网络等新产品已经逐渐进 入人们的日常生活；在个人领域，个人数字助理( p d a ) 已经成为移动计算的新 平台。集网络、控制、信息等多种功能于一身的移动平台是嵌入式系统发展的趋 势。随着需求的不断提升，嵌入式系统在软硬件方面不断面临新的挑战，主要包 括：支持不断增长的功能密度、灵活的网络连接、多媒体信息处理以及轻便的移 动性能，及延长系统的待机时间。 电池技术的发展已经远远落后于来自嵌入式系统计算能力和通讯功能需求， 在这种背景下，功耗已经成为可移动设备的关键限制因素。降低功耗就是有效地 减小嵌入式系统的工作电流。当含有嵌入式处理器的系统工作电流达到1 a 时， 它已经基本不可能依赖于电池供电来工作：如果电流降至1 0 0 m a 的数量级，普 通电池只能保证系统连续工作数小时；当电流降至u a 级时，系统就可以长期 第一章绪论 工作，只需偶尔更换电池【8 】。因此，课题需要尽可能地提高电能的利用率以节约 能量，主要方法是使用低功耗的器件和采用有效的功耗管理措施来降低功耗，并 将低功耗设计方法扩展到可移动设备的各个组成部件。 随着便携式产品自身和绿色环保的需要，各家半导体公司近几年十分重视对 低功耗产品的开发，出现了e p s o n 、n e c 等以低功耗称雄的厂商。但是，并不 是所有的产品都能满足市场对低功耗和高性能的需求。就处理器而言，只有通过 现代处理器构架才能获得上述性能，这要求处理器提供灵活的时钟系统和多种低 功耗模式。如：基于a r m 体系结构$ 3 c 2 4 1 0 处理器提供了四种不同的处理器工 作模式，在低功耗方面具有较大的优势。在p c 机中，能量消耗最多的依次是显 示器( 6 8 ) ，磁盘( 2 0 ) 和c p u ( 1 2 ) 1 9 j 。就嵌入式系统而言，减小显示 设备的能耗空间是有限的，这更多的依赖于显示设备的硬件改进，而且大多数嵌 入式系统并没有磁盘。因此，减小嵌入式系统的功耗将主要涉及到嵌入式处理器 和外围器件。处理器是嵌入式系统的核心部件，随着其处理能力的不断提高，如 何降低处理器的功耗是嵌入式系统低功耗设计的重点部分。目前主要通过以下几 个方面改进来降低处理器的功耗：使用更大规模的v l s i 组件集成技术来降低电 容、提供多种时钟频率、降低工作电压。其中降低工作电压是减小处理器功耗最 有效的途径。c m o s t 艺的微处理器功耗主要由静态功耗和动态功耗构成，动态 功耗占能量消耗的主导地位【l 。微处理器的动态功耗正比于处理器时钟频率和处 理器工作电压的平方。 e n e r g y 供v o l t a g e 2 牟f r e q u e n c y ( 1 - 1 ) 公式( 1 1 ) 中，e n e r g y 为处理器的动态功耗；v o l t a g e 为处理器的工作电压： f r e q u e n c y 为处理器的时钟频率【1 1 j 。因此，要降低处理器的功耗，可以通过两种 途径达到：降低处理器的工作电压和降低处理器时钟频率。其中，降低处理器的 工作电压是最有效的途径，这也是目前微处理器工作电压正向越来越低趋势发展 的原因，目前许多公司生产的嵌入式处理器工作电压均可降至2 v 以下。但是， 降低处理器工作电压会导致电路延迟的增加( 同时也减小了吞吐率) ，从而限制 了处理器的时钟频率 1 2 】。虽然这种损失可以通过平衡负载和流水线操作来补偿 1 1 引，但两者之间仍然要保持一定的比例关系。为平衡处理器性能和处理器功耗之 间的关系，高性能嵌入式处理器大都提供多种时钟频率和工作电压的选择，以最 大限度的节约能耗。外围设备的电能消耗也是低功耗设计必须考虑的因素。 对外围器件而言，低功耗c m o s 器件是较好的选择，也就是选择有较低工 作电压、低晶振频率以及较低时钟速度的器件【| 甜。特别是具有低功耗模式的外围 第一章绪论 器件，当没有数据需要处理时，它们能够自动进入睡眠状态，从而减少功耗。对 于没有低功耗模式的外围器件，可以设计相应的电源控制电路，使外围器件在不 工作时切断电源，以减少无效功耗1 1 引。 实现低功耗设计的另一个重要方面是软件低功耗设计。谈到低功耗技术，大 多人都会认为这是微电子和体系结构等硬件工作的事情。事实上，在微处理器及 计算机系统中有相当大的一部分低功耗技术研究空间是硬件无法涉足的，只有通 过软件技术才能得到解决1 1 引。软件的低功耗设计通常是在编译器、操作系统和应 用程序三个层次上实现对功耗的优化设计。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全 部软、硬件资源的分配、调度工作，控制并协调并发活动1 1 7j 。嵌入式操作系统中 的低功耗设计目前集中在可变电压技术和动态功耗管理的实现【l 引。可变电压技术 通过评估系统的工作状况，调整嵌入式处理器的工作速度和电压来节约能耗；动 态功耗管理则是选择适当的时机将处理器置入睡眠状态。另一方面，面向低功耗 的任务调度也是研究的热点，它通过对任务的执行顺序和时间进行优化，实现对 处理器或外设的集中使用，减小系统的无效功耗时间。对程序进行编译优化是降 低功耗的另一个有效途径。在编译时对功率和能量的优化技术是对硬件和操作系 统低功耗优化的有效补充，编译器具有能够分析整个应用程序行为的能力，它可 以对应用程序的整体结构按照给定的优化目标进行重新构划 】。利用编译器对应 用程序进行优化和变换，对降低系统能量消耗有重要的作用。仅通过对应用程序 的指令功能均衡优化和降低执行频率就有可能比优化前节省5 0 的能量消耗 1 1 7 j 。当然，降低功耗是比改善性能的优化更为复杂的问题。此外，软件的低功耗 设计也离不开应用程序的配合，如果应用程序本身能够提供它运行所需要的一些 参数，如对运行时间和空间的需求，则可以帮助操作系统更合理地设置系统的工 作状态。在某些嵌入式系统中，任务到达时间和任务执行时间是实现系统低功耗 设计的重要参数| l9 1 。任务执行是否具有周期性也是软件低功耗设计中的重要参考 量。本课题软件低功耗设计只从操作系统层面加以研究，应用程序的优化在后面 不加讨论。 嵌入式系统的低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益，国外发达国 家很早就注重对嵌入式系统的低功耗设计，在我国对于嵌入式系统低功耗设计也 正逐渐被重视起来。然而，由于国内嵌入式系统低功耗设计起步较晚，目前国内 嵌入式系统低功耗设计的水平还不太高，而且大多停留在追求局部、片面的低功 耗设计的层次上，真正整体全面的嵌入式系统低功耗设计理论还没有得到完全的 推广与应用l j 圳。在低功耗的电子系统设计中，尤其是移动设备，需要一个纵向的 综合设计方案，从算法设计、系统体系结构到电路布线都需要仔细考虑到功耗因 素。如果算法和硬件的设计考虑周到，嵌入式系统能够实现较低的功耗并且不会 4 第一章绪论 牺牲系统的性能【2 0 】。 1 3 课题的主要研究工作和论文结构 1 3 1 课题的主要研究工作 如前所述，本课题的研究主要解决终端的高计算能力和有限的电池寿命之间 的矛盾，在尽量不影响系统性能的情况下实现手持式终端的低功耗运行，同时也 为高性能的3 2 位嵌入式系统的低功耗设计提供一种思路和方法。课题的研究分 为硬件低功耗设计和软件低功耗设计两个方面。硬件低功耗设计主要围绕 $ 3 c 2 4 1 0 处理器的特点和提供的外围接口，实现终端硬件设计面向低功耗的优 化。主要工作一是处理器的供电电路设计；二是对于没有低功耗模式的外围芯片 的供电电路设计。软件低功耗设计的主要目标是在嵌入式l i n u x 系统中实现一 套可行的低功耗管理技术和相应的算法，同时这些技术和算法的实现并不改变 l i n u x 现有的调度策略。主要分为三个方面，一是围绕$ 3 c 2 4 1 0 提供可动态改变 时钟频率和工作电压的特点，在嵌入式l i n u x 内核中实现可变电压技术，通过这 项技术来控制处理器的速度和工作电压；二是针对$ 3 c 2 4 1 0 提供的多种工作模 式，在嵌入式l i n u x 内核中实现动态功耗管理，控制$ 3 c 2 4 1 0 在适当的时候睡眠 或唤醒；三是针对外部设备的工作特点，在嵌入式l i n u x 中实现一个外设的电源 管理机制，包括外设的状态监控、睡眠和唤醒操作以及相应的管理策略。 1 3 2 论文的结构 论文的内容安排分为六个部分，下面课题将对这个六个部分做一个简单的介 绍。 第一章主要介绍了课题的背景和国内外低功耗研究现状，并介绍了课题研究 的主要工作和论文结构。 第二章主要介绍了电子系统中的能量消耗原理与低功耗电路设计主要方法。 第三章主要从低功耗角度介绍了g s m r 终端的总体硬件平台和l i n u x 操作 系统平台。 第四章主要介绍了课题的硬件低功耗设计，包括低功耗的器件选型、低功耗 的电源电路设计、处理器工作模式应用等。 第五章主要介绍了课题的软件低功耗设计，包括l i n u x 调度机制，l i n u x 下 处理器电源管理的编程实现、l i n u x 下外围电路电源管理的编程实现和设计的仿 真和验证。 第一章绪论 第六章主要是对课题设计进行了总结和展望。 6 第二章电子系统中的能量消耗与低功耗主要设计方法 第二章电子系统中的能量消耗与低功耗主要设计方法 2 1 概述 根据能量守恒定律，物质的任何一种运动形式，如机械运动、热、光、电、 磁、化学反应等，在一定条件下，都能够而且必然地以直接或间接的方式，转化 为其他的任何运动形式，在转化前后，作为物质运动度量的能量，恒保持不变( 在 发生能量传递的同时，按照质能关系式，相应地也存在着质量的传递。在嵌入式 系统设计中，要降低系统的能量消耗，了解系统中能量转换方式以及转化后的能 量形式很必要。 2 2 电子系统中的能量消耗与低功耗电路设计方向 对电阻而言，电能在电阻上以热能的形式转换出去，从电子的角度来看，电 子从高电势点流向低电势点。电流流经电阻，因电场存在导致电流强度，从而致 使电子的移动。电子与电阻中粒子发生撞击，从而消耗本身能量。此处消耗的能 量因电场势能转化成电子动能，然后通过撞击转换成热能。对于电容和电感非耗 能元件而言，电容通过两极板的电极储存电荷以储存能量，这里的能量是以电场 的形式存在的电感通过线圈把电能转换成磁场形式储存能量。对于其他元器件， 转换后的能量形式主要包括机械运动或者振动( 机械能) 、图像( 光能) 、电磁波( 电 场能量和磁场能量) 、新物质( 化学能) 。电子系统中，能量是从电能转换成热能、 电场能量、磁场能量、机械能、光能、化学能等，或者这些能量形式之间的相互 转换。因其中某些转换对系统信号传输是无用的，从功耗的角度来看这些转换， 低功耗设计的目标就是尽可能使得其中的无效转换尽可能少发生，或者使得这些 无效转换的程度尽可能轻。例如，为了信号传输，电路中的电路状态在发生改变。 某个输入端，第一时刻阶段为逻辑0 ，之后第二时刻阶段变为l ，第三时刻阶段又 回复到第一时刻阶段状态，依次循环。此过程中，内部的晶体管状态发生变化， 晶体管的等效电容器完成“充电一放电一充电一放电”工作，依次循环。电容器 在充电时，因电势通过电场以电流方式从电源吸收电荷，放电时释放电荷到电源 阴极( 地) 。电容器形成的电场能量只用来表明信号逻辑，所以可以尽可能降低这 种方式的能量转换程度，只需要保证系统能够正确传输逻辑信号即可。在晶体管 7 第二章电子系统中的能量消耗与低功耗主要设计方法 时代电子系统中，系统中的电阻除了表现在电阻器上，还有晶体管本身的等效电 阻和走线电阻。对于电容来说，直流没有功率损耗。电感是通直流阻交流，所以 交流部分没有功率损耗。电子系统在工作中，因存在储能元件，除了静态损耗还 有动态损耗。在双极型工艺技术中，电路中主要的功耗是静态功耗，而现在的主 流工艺技术c m o s 电路的功耗主要是因等效电容而引起的动态功耗。c m o s 电路 中主要有四种类型的功率消耗： 因等效电容充放电而引起的动态功耗； 因逻辑信号翻转而引起的短路功耗； 因等效反偏二极管和阐下导通而引起的漏电功耗； 静态偏置功刺2 i 】。 动态功耗是整个电路中功耗的主要部分，所以低功耗设计方法主要集中在最 小化等效电容、供电电压和频率上。短路功耗当输入端的信号上升和下降时间 ( r i s e f a l lt i m e ) 大于输出端的上升和下降时间时，就会出现瞬时的电源到地的短路 连接，因而导致短路功率消耗。短路功耗对于面积大的器件，其平均功耗是供电 电压的平方函数，对大部分i c 来说短路电流功耗大约是动态功耗的5 1 0 。漏 电功耗漏电电流包含两种：晶体管漏极反偏二极管漏电电流和截止管的阐下漏电 电流，这两类电流的大小主要是由制造工艺决定的，在此不加讨论。静态偏置功 耗虽然大部分因n m o s 工艺到c m o s 工艺的转变而消除了，但对高频电路来说， 增加静态负载将会增加总的功耗量。所以电路设计者在电路设计时要尽早考虑电 路的等效电容问题，尽可能降低系统等效电容，同时要求制作工艺方面要不断地 寻求更好的工艺，使得等效电容更低。总而言之，对于短路电流功耗、漏电电流 功耗和静态偏置功耗，这三方面主要由芯片制作工艺决定，电路设计者很难从这 三个方面降低系统功耗。本系统设计基于以上结论，在系统设计过程中，尽可能 减少能量消耗。 嵌入式系统是以有限的电能驱动工作，蓄电池作为一种能源供给方式，对特 定系统要首先选好蓄电池。然后从芯片选型、电源电路设计等方面考虑低功耗设 计。同时以低功耗作为目标，辅佐以优化低功耗的软件算法，可达到较好低功耗 效果。本课题从功耗分析出发，在软件和硬件方面同时设计，使得系统功耗更低。 从基本的电路能量消耗角度来看，就是最小化系统等效电容、最小化系统工作电 压和最小化系统工作频率【2 2 j 。本课题以成熟芯片方案开发嵌入式系统，之后将不 会涉及芯片设计及工艺对功耗的分析。 第二章电子系统中的能量消耗与低功耗主要设计方法 2 3 低功耗主要设计方法 既要提高产品的性能，又要尽量降低其功耗，通常是一对矛盾。因为系统的 技术指标往往与系统的功耗关系极大，有些指标，如速度、精度、负载能力等一 般就是用牺牲功耗的方法获得的。本课题的低功耗设计是在天大通广实验室手持 终端既有性能指标的基础上进行设计。 2 3 1 硬件低功耗设计方法 常用的低功耗设计方法有以下几种： 1 ) 采用低功耗器件 几乎所有的t t l 工艺的逻辑电路、存储器及外围电路都有对应c m o s 工艺 的低功耗器件，采用这些器件是降低系统功耗最直接的方法。对嵌入式系统，一 般选择c m o s 工艺的的芯片来构建外围电路，既可满足低功耗又可满足高集成、 高速度的要求。 2 ) 门控时钟方法 在各种控制器内，特别是处理器，时钟是跳变次数最多的信号，也是分布最 广泛的信号，因此时钟跳变所导致的功耗占了整个系统大量功耗。通过简单的降 低时钟工作频率方法来降低时钟功耗不可行，因为降低时钟频率会降低系统的性 能，而且处理器完成工作任务的总功耗还是不变的。但是根据系统实时运行的情 况，总是存在处于空闲状态的单元模块和冗余信号，它们在某一特定时段的内部 操作和输出对系统的状态不会造成影响，可以利用门控时钟来切断这一部分时钟 网络，从而达到节省功耗的目的。 3 ) 降低时钟频率 在系统指标允许的情况下，尽量使用低频率器件有助于降低系统功耗。如 i n t e l 单片机，外部时钟1 2 m h z 时指令周期为li ts ，而m o t o r o l a 单片机系统 时钟只要4 m h z 却可达到同样的速度。另外，有些器件内部采用p l l 锁相倍频 技术，将外部时钟降到3 2 l 她，而内部总线速度却可达至i 8 m h z 。同一单片机工 作频率也有高低之分，如p l c l 6 c 7 1 单片机频率范围为3 2 k h z - - 1 6 m h z ，供电电 压为5 v ，频率4 m h z 时功耗约为1 0 m w ，频率3 2 k h z 时功耗约为0 1 5 r o w ，可见 在不同条件下功耗相距甚大。从可靠性角度说，频率降低。不仅可以减小电磁干 扰( e m ie l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) ，而且可以降低线路传输效应，消除高速 时钟的布线困难及避免高频信号带来的其他一系列问题。 2 3 2 软件低功耗设计方法 有了硬件基础的支持，就需要低功耗软件来实现对部件的低功耗控制。低功 耗软件既需要低功耗操作系统，又需要低功耗的应用编程。在操作系统中，需要 第二章电子系统中的能量消耗与低功耗主要设计方法 有低功耗管理策略来做支撑，最后还必须把这些功能通过系统接口给应用程序使 用。在应用层，则需要充分利用系统的接口，编写具有良好低功耗性能的应用程 序。 1 ) 调度算法 在系统中，处理器是最重要的系统资源，在功耗上，也是占了很大的比例。 所以在整个操作系统中，处理器的管理占有重要的地位，这集中表现在处理器的 调度算法上。如何设计一个调度算法，既能够使处理器在规定时间内完成系统任 务，又能够使得其功耗最低，就成为了低功耗处理器调度算法的核心任务之一。 在处理器的调度算法设计上，需要充分利用处理器本身的特性。对于目前的嵌入 式处理器，在功耗管理上，大多提供不同的工作模式，这些模式有不同的时钟频 率。频率越低，处理器的功耗越小，同时处理器的处理能力也越弱。所以在a c p i 电源管理标准中，如果处理器空闲，让处理器处于低功耗模式；如果系统长时间 不工作，则让处理器进入休眠模式，这种调度方法能够降低功耗。但是，如果应 用d v s 方法，可以达到更好的节能效果。 处理器的功耗与处理器的电压成二次曲线关系，处理器的电压和处理器的速 度成线性关系。也有的报道说处理器的功耗与处理器的电压是三次曲线关系，但 是在调度算法论文的计算中，大多假设是二次曲线关系。所以如果处理器以某一 个恒定不变的速度去完成任务集，将比处理器以一个高速度完成任务集，然后再 空闲的方法更节约能源。如果可以预测未来处理器的任务负荷情况，在任务集开 始执行前，可以计算出处理器在规定时间内完成任务的最小恒定速度，如果按照 此速度来执行任务集，则处理器的功耗最低。但是在很多情况下，系统不能预知 未来系统的任务负荷，这时这种方法不能够再采用。一般说来，处理器在某一段 时间内的负荷是相对稳定的，可以统计前一段时间内系统的负荷，用它来作为未 来一段时间处理器荷载的预测，这不会和实际情况完全相符，但是也可以达到很 好的效果，在算法研究和实际中，也被大量采用。 2 ) 低功耗设备驱动 驱动程序是硬件设备上的第一层软件，是对硬件功能的第一次抽象，为上层 的软件提供使用设备的软件接口。所以上层软件要获得硬件的低功耗特性，必须 通过驱动层，它是系统其它各层软件与硬件的接口。在驱动层中，需要完整抽象 出设备的特性。但是在这一层，又不能给使用硬件增加策略上的限制，否则，上 层软件不能灵活地使用设备。 3 ) 应用函数接口 在驱动层，只是提供可以利用低功耗硬件特性的函数接口；在策略层，提供 不同的低功耗策略让应用层选用。因为系统采用低功耗工作方式，可能会对系统 1 0 第二章电子系统中的能量消耗与低功耗主要设计方法 性能构成一定程度的影响，影响的程度要看具体的硬件和使用的策略。所以是否 使用低功耗方式，使用什么样的低功耗策略留给应用层来决定。策略层应该包括 这些内容：对于处理器，在什么条件下进入低速模式运行，什么条件下进入休眠 模式等。对于外围设备，在某些功能不用时是立即关闭，还是延时或者需要等待 其它条件发生才关闭。 本课题只从操作系统的电源管理策略进行研究，不涉及设备驱动和应用层的 编程。 第三章终端的硬件平台和操作系统平台 3 1 概述 第三章终端的硬件平台和操作系统平台 嵌入式系统低功耗的优化方法可以分为几个层次，自下而上分别是电路级、 逻辑级、寄存器传输级、行为级、算法级和系统级。目前低层次( 电路级和逻辑 级) 上的功耗优化方法已比较成熟，只是在具体实现上还有一些需改进的地方； 而高层次( 行为级、算法级和系统级) 的功耗优化技术还处于研究阶段【1 引。数字 系统的低功耗设计方法可以分为若干层次。每个级别可以达到的低功耗设计效果 也完全不同，在体系结构级可降低电路4 0 - - 7 0 的功耗，而在电路级功耗只能降 低5 0 o - 1 0 ，所以在体系结构级对微内核进行低功耗设计更有优势。降低嵌入式 系统的功耗涉及到硬件设计、硬件选型、操作系统以及编译程序设计等诸多方面。 对于手持式的g s m r 终端来说，低功耗设计的主要手段是选择合适的处理器、 设计处理器的供电电路以及实现对外围器件的电源控制。同时，从l i n u x 操作系 统角度来进行动态功耗管理。动态功耗管理的核心内容是嵌入式操作系统根据系 统的运行情况，决定系统何时进入低功耗的睡眠状态。 3 2 终端的硬件平台 3 2 1 总体设计说明 根据系统方案和技术条件中的要求，本终端的总体组成框图如图3 1 所示。 图3 1 终端总体框图 1 2 第三章终端的硬件平台和操作系统平台 终端信号通过天线接收发射，终端的射频装置即g s m 模块q 2 4 0 6 b 与核心处 理器a r m 2 4 1 0 连接进行通信，基本输入输出设备有键盘和l c d 屏。电池为终 端供电。 3 2 2 核心控制器 终端采用三星公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 作为核心控制器。 课题硬件设计的核心芯片是三星公司的$ 3 c 2 4 10 ，它是a r m 9 系列的一款产 品【2 3 】。a r m 9 的结构及主要特点如下： 3 2 b i t 定点r i s c 处理器，改进型a r m t h u m b 代码交织，增强性乘 法器设计。支持实时调试： 片内指令和数据s r a m ，而且指令和数据的存储器容量可调； 片内指令和数据高速缓冲器( c a c h e ) 容量从4 k 字节到1 m 字节； 设置保护单元( p r o t e c t i o nu n i t ) ，非常适合嵌入式应用中对存储器进行 分段和保护； 采用a m b a a h b 总线接口，为外设提供统一的地址和数据总线： 支持外部协处理器，指令和数据总线有简单的握手信令支持； 支持标准基本逻辑单元扫描测试方法学b i s t ( b u i l t i n s e l f - t e s t ) ； 支持嵌入式跟踪宏单元，支持实时跟踪指令和数据。a r m 微处理器 是一种高性能、低功耗的3 2 位微处器，它被广泛应用于嵌入式系统 中1 2 3 。 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 适用于低成本、低功耗和高性能的手持设备。$ 3 c 2 4 1 0 包含了如下部件：独立的1 6 k b 指令和1 6 k b 数据缓存，用于虚拟内存管理的 m m u 单元，l c d 控制器( s t n t f t ) ，非线性( n a n d ) f l a s h 引导单元，系 统管理器( 包括片选逻辑和s d r a m 控制器) ，3 个通道的异步串行口( u a r t ) ， 4 个通道的d m a ，4 个通道的脉宽调制器( p w m ) ，实时时钟单元( r t c ) ， 带有触摸屏接口的8 通道1 0 位a d 转换器，i i c 总线接口，i i s 总线接口，u s b 的主机( h o s t ) 单元，u s b 的设备( d e v i c e ) 接口，s d 卡和m u c ( m u l t i m e d i ac a r d ) 卡接口，2 通道s p i 接口和锁相环( p l l ) 时钟发生器。 在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的 r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使 处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z 。这个工作频率能够使处理器轻松运行于 w i n d o w s c e ，l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主 从u s b 功能的时钟。 $ 3 c 2 410 采用- j d v s ( d y n a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 技术，具有低功耗特性。在 第三章终端的硬件平台和操作系统平台 嵌入式处理器的设计中，d v s 技术正在被广泛的采用。c m o s 工艺由于有巨大 的优点被使用在d v s 的设计中，c m o s 工艺与其它工艺技术相比，具有工艺成 熟、生产方便、兼容性好、功耗低和便于大规模集成等优点。c m o s 电路的功 耗由动态功耗，短路功耗和静态功耗构成。静态功耗和短路功耗占的比例小，动 态功耗是主要的。 应用d v s 的嵌入式处理器，支持动态功耗管理，有多种可以切换的运行模式。 $ 3 c 2 4 1 0 的运行模式包括：工作模式，在该模式下，c p u 处于上电状态，系统满 负荷运行，功耗也最大，系统的大部分操作在该模式下完成；空闲模式，该模式 下，处理器内核停止运行，但处理内部各外设控制器仍然正常工作；休眠模式， 功耗最低的模式，c p u 和所有的外设都处于断电模式，但继续供电给重要的内部 电路，如实时时钟。 3 2 3 通信模块 终端的通信模块选用的是w a v e c o m 公司的q 2 4 0 6 b 模块。该模块是w i s m o q u i kq 2 4 0 0 系列中的一款双频g s m g p r s 模块，其功能丰富，可以做语音和数 据传输。此模块既能使用在固定的终端中作为通信的核心部分，也可以以此模块 为中心，设计手持的移动终端。 通信模块需要实现与核心控制器和s i m 卡的通信。 通信模块与s i m 卡的连接。电源方面，现在国内通用s i m 卡以3 v 为主， q 2 4 0 6 b 模块带有3 v s i m 卡接1 ：3 ，可以直接和模块连接。信号线方面，模块与 s i m 卡相连的有5 条，见表3 1 。 表3 1s i m 卡接口信号线 信号线名称引脚号输入输出功能描述 s i mc l k3输出信号传输时的同步时钟 s i mr s t5输出 r e s e ts i m 卡 s i md a t a7输入输出与s i m 卡进行数据传输 s i mv c c9输出s 1 m 卡的电源线 s i mp r e s5 0输入检测是否有s i m 卡插入 s i m p r e s 接至u v d d ，表示s i m 一直处于插入状态。其他四根线和s i m 卡的 相应端口直接连接。从信号完整性分析考虑，为了信号稳定，在s i m d a t a 和 s i m c l k 两个信号线与地信号( s i m g n d ) 加入了1 0 0 p f 电容；在s i m v c c 与 地信号( s i m g n d ) 之间加入了一对去偶电容。另外，s i m 卡插座会经常接触 第三章终端的硬件平台和操作系统平台 人手，为了防止静电的干扰，加入了起保护作用的二极管1 2 4 。 q 2 4 0 6 b 与控制器之间的接口电路包括两部分：o n o f f 、r e s e t 两个控制 信号线和异步串行接口。o n o f f 信号线可以在模块上电后，控制模块的开启与 关闭。在对功率消耗没有特殊要求的应用中，模块自上电后可以一直保持开机状 态，此时o n o f f 信号线可以通过上拉电阻接到v d d 。本应用中，o n o f f 信 号线接到控制器上。r e s e t 信号线低电平有效，且必须保持低电平5 0 0 u s 以上， 模块才会被重启。异步串行接口是控制器向模块发送控制指令( a t 命令) ，并读 取模块状态的接口。q 2 4 0 6 b 模块带有一个完整的9 针异步串口，可以与控制器 的串口直接相连。因为有些控制器的串口不是完整的9 针异步串口，有的只是两 线或者四线。经过测试，只通过t x d 和r x d 两根线，也能控制模块实现通常 的功能，比如打电话，短信，g p r s 等。 3 2 4 液晶屏 终端选用北京振中致远显示技术有限公司的t n s g 3 2 0 2 0 0 f t d l y - 】w 单色 液晶屏。该屏幕最大显示分辨率为3 2 0 x 2 0 0 。该屏幕采用r a 8 8 0 2 作为液晶显 示控制器。可最大支持3 2 0 2 4 0 点的l c d 面板。内建5 | 2 k b y t e 的字形码，可 以显示中文字型、数字符号与英文字母。 $ 3 c 2 4 1 0 a 带有液晶控制器，可以接t f t 或s t n 彩色液晶屏幕。而本应用 中选用的是单色液晶屏幕，且带有控制器，所以不能利用$ 3 c 2 4 10 a 自带的液晶 屏控制器，也不能直接使用系统带有的液晶屏驱动程序。需要编写此屏幕专用的 屏幕驱动程序。 液晶屏对外接口除了l e d 背光以外，其他都是3 3 v 电平，与a r m 兼容， 无须转换可以直接连到$ 3 c 2 4 1 0 a 的通用输入输出端口( g p i o ) 上，$ 3 c 2 4 1 0 a 上原本用于彩色l c d 控制的端口g p c 、g p d 全部和g p g 的部分端口，都可以 配置为g p i o 。 3 2 5 电池 本终端采用嵌入式系统偏爱的碱性充电电池。碱性电池按照使用的电芯的技 术又主要分为：镍镉电池，镍氢电池，锂离子电池。 1 1 镍锅电池 镍镉电池是出现较早且体积小巧的可充电电池。其最大的优点是可供电流 大，放电时电压变化小，正常电压为1 2 v c e l l ，放电终止电压为1 0 v c e l l 。镍 镉电池的可充电次数较少，一般为5 0 0 次，在长期放置，完全充电后，仍能恢复 其原来的特性。工作温度为2 0 - , - 6 0 。镍镉电池的不足是记忆效应比较