孫 念 張 哲

摘 要:闡述基于Windows Mobile的嵌入式系統(tǒng)中系統(tǒng)軟件層次的低功耗設計。在基于PXA270處理器的手機平臺上具體實現(xiàn)了Windows Mobile的電源管理功能,即與PXA270處理器的低功耗模式相結合,實現(xiàn)了Suspend/Resume模型,以及設備驅(qū)動和應用程序中電源管理,最后對系統(tǒng)工作在典型電源狀態(tài)的功耗數(shù)據(jù)做了測量。數(shù)據(jù)表明,與未采用電源管理的系統(tǒng)相比,電源管理模塊能使系統(tǒng)更高效合理地使用電池電量,有效地降低系統(tǒng)運行過程中的功耗。

關鍵詞:Windows Mobile;電源管理;PXA270;功耗

中圖分類號:TP311

如今在以數(shù)碼消費產(chǎn)品為代表的嵌入式系統(tǒng)領域,大多數(shù)系統(tǒng)采用電池供電,由于電池容量有限,這使得實現(xiàn)產(chǎn)品的低功耗,延長待機時間成為一個重要的課題。在已確定硬件電路功耗的情況下,提高電池電源的使用效率是實現(xiàn)低功耗的一個重要任務,其基本思想是在系統(tǒng)中沒有任務等待運行時,把系統(tǒng)置于盡可能低的能量狀態(tài),等到有任務需要執(zhí)行時,再將其快速喚醒,盡可能有效地利用功耗。

1 Windows Mobile中的電源管理

WinCE系列操作系統(tǒng)中的電源管理模塊正是出于后者的考慮而出現(xiàn)的,圖1為電源管理(Power Manager)的運行機制。該模塊根據(jù)系統(tǒng)實際運行情況,以CPU為中心,管理器件和外設的功耗狀態(tài),實現(xiàn)系統(tǒng)在不同電源狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換,從而在保證系統(tǒng)性能的前提下降低功耗。而Windows Mobile系統(tǒng)針對其專用于移動通信平臺的特點,對電源管理部分做了進一步的定制,使其具有更好的效能,進一步提高系統(tǒng)的電源效率。Power Manager的實現(xiàn)在軟件上需要OS內(nèi)核、驅(qū)動層及應用層的協(xié)作,對于預先定義好的系統(tǒng)電源狀態(tài),Power Manager將這些狀態(tài)映射到具體的CPU電源狀態(tài)和設備電源狀態(tài),在系統(tǒng)電源狀態(tài)切換時就會執(zhí)行對應的CPU和外設的電源狀態(tài)切換操作。

1.1 電源管理與系統(tǒng)其他部分的交互

在Windows Mobile中Power Manager以名為PM.dll的動態(tài)鏈接庫形式在啟動時被設備管理器Device.exe加載如圖2所示。

應用程序可通過API申請將系統(tǒng)電源置于一定的狀態(tài),同時也可申請將指定設備設置于特定的電源狀態(tài),應用程序也可以申請電源狀態(tài)通知,以便在系統(tǒng)電源狀態(tài)切換時收到消息以執(zhí)行對應的操作。當需要切換系統(tǒng)電源狀態(tài)時,電源管理模塊與電源管理的設備通信,進而調(diào)用這些設備的電源相關函數(shù),實現(xiàn)對這些設備的電源管理,同時如果有應用程序或設備驅(qū)動申請了電源狀態(tài)通知,則電源管理模塊會向消息隊列中發(fā)送消息。

1.2 [ZK(]Windows Mobile中的電源狀態(tài)以及狀態(tài)間的切換

Windows Mobile有兩個版本,SmartPhone和Pocket PC,這里采用是Windows Mobile 6的Pocket PC,它定義了以下幾個電源狀態(tài)(Windows Mobile的電源狀態(tài)是不能像WinCE那樣再定制的):

ON: 用戶與系統(tǒng)交互時的狀態(tài);

Backlight OFF: 在一段時間內(nèi)(默認15 s),如果┮恢豹沒有用戶操作就關閉背光,這時其他的設備都沒變化;

Screen OFF: 一般由某些程序指定,才進入這個狀態(tài)。比如音樂播放器程序,當你聽音樂時按下某個鍵可以將屏幕關閉;

Suspend: Pocket PC的睡眠模式,幾乎所有設備都被關閉,直到某個硬件設備觸發(fā)中斷才將系統(tǒng)喚醒,這是Pocket PC系統(tǒng)中功耗最低的一個狀態(tài),對這個狀態(tài)的實現(xiàn)直接影響到待機時間;

Resuming: Pocket PC被喚醒后的狀態(tài),這時屏幕是關閉的,并啟動一個15 s的計時器,在這段時間內(nèi)決定接下來進入哪個狀態(tài),如果計時器超時則重新回到睡眠狀態(tài);

Unattended: 這個狀態(tài)只在Pocket PC中被使用,用戶對其不會有所察覺,即程序在后臺執(zhí)行。

這里可以用系統(tǒng)電源狀態(tài)機來簡單地描述Windows Mobile的電源管理策略。以Pocket PC為例,系統(tǒng)電源狀態(tài)機如圖3所示。

系統(tǒng)內(nèi)部的電源管理器負責協(xié)調(diào)電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,電源狀態(tài)的轉(zhuǎn)換主要由計時器超時(Timeout)、電源鍵事件(ON/OFF Event)、用戶操作(User Activity)等方式觸發(fā)。

2 PXA270平臺上電源管理的實現(xiàn)

電源管理的實現(xiàn),涉及到系統(tǒng)中軟件硬件的互相配合。對于軟件來說,涉及到各個層面,包括Windows Mobile內(nèi)核和設備驅(qū)動,這二者主要負責電源管理在處理器和物理外設等硬件上的實現(xiàn),另外有些應用程序也會有涉及,這主要是系統(tǒng)電源狀態(tài)與具體應用需求之間的協(xié)調(diào)。這里應用的平臺是開發(fā)的基于PXA270的Windows Mobile智能手機平臺,該平臺搭載了NXP的基帶處理器及其外圍電路,以實現(xiàn)GSM通信。另外,還有藍牙、攝像頭等功能模塊,因此對該平臺進行電源管理優(yōu)化是十分必要的。

2.1 內(nèi)核電源管理的實現(xiàn)

2.1.1 Suspend/Resume模型

對于SmartPhone,采用的是Always On模型,只是在工作一段時間后關閉背光和屏幕,但是系統(tǒng)仍在運行。該平臺實現(xiàn)的是Pocket PC,采用Suspend/Resume模型,在系統(tǒng)處于空閑時,可將系統(tǒng)置于Suspend狀態(tài),此時系統(tǒng)處于最低的功耗狀態(tài),在必要時再將其喚醒。在兩個模型之間需要權衡,雖然Always On沒有休眠模式,但是Suspend/Resume在Suspend和ON之間切換也是需要消耗大量能量的。系統(tǒng)電源狀態(tài)的切換最終會導致內(nèi)核中OEM函數(shù)的調(diào)用,下面重點介紹內(nèi)核中電源管理的實現(xiàn),在Windows Mobile的樣例BSP中有示例代碼框架在Off.c和Xllp_SuspendAndResume.c可供參考。

2.1.2 Suspend流程

在平臺實現(xiàn)上,切換至Suspend狀態(tài)時會調(diào)用OEMPowerOff函數(shù),此時會將外設關閉,將PXA270處理器置于sleep模式,OEMPowerOff中Suspend的具體流程,即Xllp_SuspendAndResume函數(shù)如下:

(1) 設置當前程序狀態(tài)寄存器CPSR的I位和〧位,以禁止IRQ和FIQ中斷;

(2) 根據(jù)第一步中獲得的地址,將Power,Interrupt,GPIO,CLOCK等硬件平臺及OS相關的寄存器保存在Xllp_SuspendAndResume函數(shù)的全局變量中,即將這些寄存器的值保存于SDRAM中;

(3) 保存ARM架構下處理器模式的相關寄存器值,除了User模式的6種處理器模式,需保存的是SP,LR,和SPSR。另外,FIQ模式還需保存R8~R12。為了使用stmdb批拷貝指令,在此使用“偽堆棧”,即用SDRAM中的物理空間來模擬堆棧;

(4) 配置MDREFR寄存器,設置好SDRAM的自刷新頻率,在sleep模式下,SDRAM將處于自刷新狀態(tài)以維持之前保持的狀態(tài)數(shù)據(jù),供系統(tǒng)喚醒時恢復到suspend之前的狀態(tài);

(5) 利用PSPR寄存器來保存Resume參數(shù)的物理地址,如重啟原因、睡眠模式等, PSPR的數(shù)據(jù)在sleep時不會丟失;

(6) 配置PWER,PRER或PFER寄存器,以使能特定的喚醒源,這里設置RTC、來電RING中斷和電源鍵的喚醒;

(7) 保存當前處理器模式的狀態(tài)寄存器,保存MMU寄存器,保存Resume的返回地址XllpResumePhase3,回寫Cache,配置CP14寄存器CR7,讓處理器進入sleep模式。到此,PXA270進入sleep模式,系統(tǒng)處于Suspend電源狀態(tài)。

2.1.3 Resume流程

總的說來,Resume流程與Suspend是相反的,處理器初始化之后,會載入Suspend之前保存在SDRAM中的各種狀態(tài)參數(shù),恢復之前狀態(tài),其流程簡要介紹如下:

(1) 當已使能的喚醒事件發(fā)生時,處理器會從BootLoader啟動,進行基本的硬件初始化之后,會判斷是Reset,還是sleep Resume,如果是后者,則會跳轉(zhuǎn)到Xllp_ResumePhase2A;

(2) 在Xllp_ResumePhase2A中首先會將保存在PSPR中的參數(shù)取出,檢查無錯誤后,重新配置好MMU,載入處理器狀態(tài)寄存器和堆棧,跳轉(zhuǎn)至XllpResumePhase3;

(3) 在XllpResumePhase3載入所在環(huán)境的處理器狀態(tài)寄存器,接著逐級返回至OEMPowerOff函數(shù),在OEMPowerOff函數(shù)中會獲得喚醒源,然后退出;

(4) 此時系統(tǒng)由Power Manager置于Resuming狀態(tài),Power Manager根據(jù)喚醒源判斷是否將系統(tǒng)置于ON,還是繼續(xù)Suspend。

此時,系統(tǒng)狀態(tài)已經(jīng)恢復至睡眠之前,結束了Resume流程,完成對系統(tǒng)的喚醒。

2.2 設備驅(qū)動電源管理的實現(xiàn)

除了對處理器的電源管理,Power Manager還有┮桓霆主要工作就是平臺上設備的電源管理。對于只有ON和OFF兩種電源狀態(tài)的設備,Power Manager通過DeviceIOControl在Suspend和Resuming時分別調(diào)用各設備驅(qū)動中實現(xiàn)的PowerUp和PowerDown函數(shù),以開啟和關閉設備。在該平臺上大多數(shù)設備都屬于這種管理方式,包括LCD,Audio Codec等,這些工作主要是在Wince流驅(qū)動的IOControl中執(zhí)行一些開啟或者關閉處理器I/O電源的操作。

對于GSM和藍牙等較復雜的設備,需要能及時喚醒,如在系統(tǒng)Suspend來電時,GSM模塊需快速喚醒并做出響應,因此這些設備也支持sleep等模式。在進入Suspend會相應調(diào)用這些設備驅(qū)動的sleep函數(shù),進入設備的省電模式,而在Resuming時也會調(diào)用對應的退出sleep的函數(shù),以實現(xiàn)快速喚醒。

2.3 應用程序電源管理的實現(xiàn)

在此以自己編寫的基于DirectDraw的照相程序為例來說明應用程序中電源管理的實現(xiàn)。

首先,在開啟照相程序時,預覽一段時間沒有操作后,不希望按照定時器的值進入Suspend,此時需定時修改SuspendTimeout,以阻止系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)。具體做法是:啟動一個30 s的定時器,每30 s調(diào)用一次SystemIdleTimerReset函數(shù)。

另外,由于該照相程序是Overlay顯示效果,在進入拍照程序后,如果按下電源鍵進入Suspend狀態(tài),再喚醒時系統(tǒng)仍處于拍照程序,但是由于PXA270的LCD Controller沒有再次創(chuàng)建㎡verlay層,因此程序不能顯示圖像。從使用者的角度考慮,在系統(tǒng)Reume之后照相程序應能恢復正常。做法如下:在程序中創(chuàng)建一個線程,用CreateMsgQueue創(chuàng)建一個消息隊列,調(diào)用RequestPowerNotifications申請獲得電源管理消息,然后調(diào)用WaitForSingleObject等待通知,當收到Suspend的消息時,對程序窗口發(fā)送重新初始化Overlay的消息,在Resume后,程序會馬上執(zhí)行重新初始化的流程,照相程序恢復正常。

3 數(shù)據(jù)分析

對系統(tǒng)運行時幾個典型電源狀態(tài)的電流值做了測量,數(shù)據(jù)如表1所示。

4 結 語

對于1 200 mA/h的電池,該智能手機平臺能達到160 h左右的理論待機時間,以及3 h左右的通話時間。另外,睡眠及喚醒的響應時間也在1 s左右,表明㏄ower Manager達到了提高電池電源使用效率的目標,基本滿足實際應用的需求。