楊煉，牟倫榮，夏軍

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065；2.重慶重郵信科通信技術(shù)有限公司）

引 言

對(duì)于移動(dòng)通信終端而言，終端的能耗問(wèn)題既是系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，也是用戶認(rèn)可度的關(guān)鍵指標(biāo)，已經(jīng)成為評(píng)估終端性能的重要指標(biāo)之一，移動(dòng)終端省電機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)變得更加迫切。同時(shí)，伴隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，融合了拍照、攝像、音樂(lè)、游戲等多功能的智能手機(jī)應(yīng)需而生并得以快速發(fā)展。同傳統(tǒng)手機(jī)相比，智能手機(jī)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，同樣，功耗問(wèn)題也是成倍增長(zhǎng)。工信部電信研究院公布的手機(jī)行業(yè)運(yùn)行情況顯示，智能手機(jī)市場(chǎng)占有率在50%以上，也就是說(shuō)智能機(jī)已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。但對(duì)于手機(jī)終端低功耗技術(shù)的研究仍局限于功能單一的通話機(jī)，所以必須加快智能手機(jī)終端低功耗技術(shù)的研究，以解決隨之而來(lái)的功耗問(wèn)題。同時(shí)，支持多功能應(yīng)用的基礎(chǔ)上在智能手機(jī)終端為保證良好的用戶體驗(yàn)通常采用雙操作系統(tǒng)架構(gòu)，而其他普通移動(dòng)終端多以單個(gè)OS為控制硬件設(shè)備和高層軟件架構(gòu)的搭建提供支持服務(wù)，因此不乏有基于簡(jiǎn)單的單OS終端的省電研究和實(shí)現(xiàn)，卻缺少多OS低功耗技術(shù)的研究。本文基于單芯片雙操作系統(tǒng)智能手機(jī)終端，提出一種雙操作系統(tǒng)間的省電方案。

1 硬件平臺(tái)介紹

智能手機(jī)作為一種便攜式和移動(dòng)性的終端設(shè)備，需要強(qiáng)大的處理器和硬件來(lái)支撐復(fù)雜的操作系統(tǒng)和應(yīng)用。智能手機(jī)硬件架構(gòu)主要有基帶（Base Band）加應(yīng)用處理器（Application Processor）的雙CPU架構(gòu)和基于虛擬化技術(shù)的單CPU架構(gòu)?；鶐幚砥鲗?shí)現(xiàn)手機(jī)的呼叫／接聽(tīng)等基本電話功能，應(yīng)用處理器專用于處理高負(fù)荷的多媒體應(yīng)用。這消除了由新應(yīng)用的軟件缺陷引起基帶處理器失效的風(fēng)險(xiǎn)。以模塊化架構(gòu)的形式，應(yīng)用處理器構(gòu)成一個(gè)子系統(tǒng)，并與基帶處理器隔離開(kāi)來(lái)。

本文涉及的智能手機(jī)采用基于虛擬化技術(shù)的單CPU架構(gòu)，手機(jī)虛擬化技術(shù)方案需采用VM（Virtual Machine）。VM對(duì)上層軟件架構(gòu)可以看成一個(gè)虛擬的硬件系統(tǒng)，將真實(shí)的CPU模擬成兩個(gè)虛擬的CPU并行運(yùn)行，允許一個(gè)平臺(tái)同時(shí)運(yùn)行兩個(gè)操作系統(tǒng)，兩個(gè)虛擬CPU上分別運(yùn)行一個(gè)分時(shí)操作系統(tǒng)（Android）和一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），如圖1所示。

圖1

基帶處理器和應(yīng)用處理器之間的通信靠虛擬管道傳遞實(shí)現(xiàn)。本方案硬件平臺(tái)芯片中集成了一顆ARM1176JS內(nèi)核，兩顆ZSP800內(nèi)核、一顆CEVA公司的DSP內(nèi)核以及GSM＆TD專用加速器，用于實(shí)現(xiàn)TD與GSM基帶功能；同時(shí)集成LCD控制器、Camera控制器、2D加速器、Codec音頻解碼器，用于實(shí)現(xiàn)多媒體功能。

2 省電方案總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在評(píng)估手機(jī)功耗特性方面，主要包括手機(jī)待機(jī)狀態(tài)最低電流值和手機(jī)工作狀態(tài)電流值。由于篇幅有限，本文僅針對(duì)如何降低最低待機(jī)狀態(tài)電流值來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

在智能終端省電軟件控制過(guò)程中，最有效的方式是對(duì)系統(tǒng)的電壓和時(shí)鐘頻率進(jìn)行有效的低功耗控制管理。本方案采用目前已經(jīng)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)主流的低功耗設(shè)計(jì)策略DPM（動(dòng)態(tài)功耗管理）。DPM設(shè)計(jì)思想簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是系統(tǒng)一旦空閑則立即通過(guò)關(guān)閉時(shí)鐘和關(guān)閉電源兩種方式將該設(shè)備切換到低功耗狀態(tài)。主要通過(guò)在操作系統(tǒng)上搭建一個(gè)用于功耗管理的軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于本方案中兩個(gè)OS同時(shí)并發(fā)運(yùn)行于單芯片的ARM1176EJS子系統(tǒng)內(nèi)，硬件資源分配遵循原則是“基帶子系統(tǒng)專屬使用的由RTOS控制，應(yīng)用子系統(tǒng)專屬使用的由Android控制，共用資源由RTOS控制”?？紤]運(yùn)行于RTOS的基帶子系統(tǒng)對(duì)任務(wù)實(shí)時(shí)性的苛刻要求，設(shè)計(jì)以基帶子系統(tǒng)DPM軟件模塊為主控制模塊，應(yīng)用子系統(tǒng)PM軟件模塊為從控制模塊。同時(shí)，DPM軟件模塊主要負(fù)責(zé)基帶各模塊和與應(yīng)用子系統(tǒng)公用模塊的狀態(tài)管理、約束判斷、省電模式設(shè)置等任務(wù)。PM軟件模塊主要負(fù)責(zé)向DPM請(qǐng)求睡眠，醒鎖機(jī)制，外設(shè)（例如鍵盤、背光燈、Camera等）狀態(tài)管理等。其總體軟件架構(gòu)如圖2所示。

在應(yīng)用子系統(tǒng)中，PM模塊動(dòng)態(tài)地收集應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行情況，配置基帶的DPM，使其滿足應(yīng)用系統(tǒng)的省電要求和針對(duì)Android專屬模塊采取使用開(kāi)啟、未使用關(guān)閉的原則控制。

在基帶系統(tǒng)中，DPM模塊為省電工作的主要承擔(dān)者，其核心通過(guò)收集系統(tǒng)的信息作出必要的判決，包括PM收集的Android系統(tǒng)的信息，決策睡眠類型、睡眠時(shí)間并通過(guò)調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)對(duì)相應(yīng)模式下的電源域狀態(tài)和時(shí)鐘域狀態(tài)控制。

圖2

3 省電流程設(shè)計(jì)

（1）應(yīng)用子系統(tǒng)狀態(tài)

應(yīng)用子系統(tǒng)共有三種狀態(tài)，躍遷關(guān)系如圖3所示。

work狀態(tài)：有任務(wù)在執(zhí)行的工作狀態(tài)，可向suspend和idle狀態(tài)躍遷。

suspend狀態(tài)：當(dāng)處于 work狀態(tài)時(shí)，向／sys／power／state里寫(xiě)“mem”時(shí)系統(tǒng)躍遷到suspend狀態(tài)，凍結(jié)進(jìn)程讓外設(shè)進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)喚醒事件產(chǎn)生則返回work狀態(tài)。

idle狀態(tài)：當(dāng)所有任務(wù)運(yùn)行完畢系統(tǒng)會(huì)從work進(jìn)入idle狀態(tài)；當(dāng)有喚醒事件產(chǎn)生時(shí)則返回work狀態(tài)。

（2）基帶子系統(tǒng)狀態(tài)

基帶子系統(tǒng)共有三種狀態(tài)，躍遷關(guān)系如圖4所示。

sleep狀態(tài)：省電睡眠模式，根據(jù)具體機(jī)制分為多種睡眠模式類型。

idle狀態(tài)：指一個(gè)抽象的概念，僅僅是基帶從work狀態(tài)到sleep狀態(tài)的過(guò)渡。

work狀態(tài)：指基帶側(cè)有任務(wù)或中斷在執(zhí)行。

圖3

圖4

本方案中，系統(tǒng)省電入口設(shè)置在基帶OS中，當(dāng)基帶進(jìn)入idle后，先查詢應(yīng)用子系統(tǒng)狀態(tài)，用以控制是否可以進(jìn)入省電流程。如果狀態(tài)為work，則將虛擬機(jī)切換到應(yīng)用子系統(tǒng)之后，Linux進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。若此時(shí)Linux任務(wù)完成則進(jìn)入應(yīng)用idle流程，若此時(shí)有suspend事件產(chǎn)生，就會(huì)進(jìn)入應(yīng)用suspend流程。凍結(jié)進(jìn)程及讓外設(shè)進(jìn)入休眠狀態(tài)這一系列低功耗設(shè)置工作后，應(yīng)用子系統(tǒng)通過(guò)虛擬管道（VPIPE）向基帶發(fā)送事先約定好的睡眠命令，基帶收到此VPIPE命令后設(shè)置應(yīng)用子系統(tǒng)狀態(tài)為空閑。當(dāng)基帶再次進(jìn)入idle后，查詢應(yīng)用子系統(tǒng)狀態(tài)，如果為空閑，基帶子系統(tǒng)中低功耗模塊啟動(dòng)睡眠流程，基帶睡眠流程采用ARM主控的方式來(lái)控制芯片內(nèi)部模塊以及外設(shè)模塊在相應(yīng)的時(shí)隙進(jìn)入省電模式。被作為modem使用的基帶子系統(tǒng)省電控制主要分為4部分：物理層、協(xié)議棧、操作系統(tǒng)和硬件驅(qū)動(dòng)。其中物理層主要負(fù)責(zé)由協(xié)議棧規(guī)劃時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)測(cè)量任務(wù)，協(xié)議棧主要負(fù)責(zé)計(jì)算出下一個(gè)DRX（非連續(xù)接收）測(cè)量時(shí)間點(diǎn)。此時(shí)，OS沒(méi)有任務(wù)調(diào)度或者中斷處理，就判斷約束條件并根據(jù)協(xié)議棧計(jì)算的時(shí)間點(diǎn)和系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行比較，共同決定進(jìn)入何種模式睡眠，再進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)、喚醒設(shè)置等一系列系統(tǒng)保護(hù)和數(shù)據(jù)保護(hù)動(dòng)作，然后調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)，對(duì)各個(gè)模塊省電控制予以實(shí)現(xiàn)。

睡眠喚醒后，置應(yīng)用子系統(tǒng)狀態(tài)為工作，并進(jìn)行定時(shí)器補(bǔ)償。當(dāng)基帶再一次進(jìn)入idle，則切換到Linux。若檢測(cè)沒(méi)有中斷產(chǎn)生等待處理，則再一次發(fā)送帶有sleep指令的VPIPE命令，通知基帶進(jìn)入睡眠，如此反復(fù)。當(dāng)需要喚醒應(yīng)用時(shí)，清除睡眠標(biāo)志，發(fā)送VPIPE命令給應(yīng)用。當(dāng)基帶進(jìn)入idle后，切換到Linux，Linux檢測(cè)到中斷pending，則進(jìn)行相應(yīng)處理。其省電狀態(tài)躍遷的主要流程如圖5所示。

4 測(cè)試驗(yàn)證

在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中，省電設(shè)計(jì)是必須面對(duì)的問(wèn)題。其原因在于，嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動(dòng)性較強(qiáng)的手持產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品不是一定都有充足的電源供應(yīng)，往往靠電池來(lái)供電，電池容量是現(xiàn)在技術(shù)的一個(gè)瓶頸，所以只能從降低功率消耗來(lái)達(dá)到省電效果，盡可能地延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

本文基于單芯片雙操作系統(tǒng)智能手機(jī)終端，提出一種雙操作系統(tǒng)終端間的省電方案架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)降低功耗來(lái)達(dá)到省電目的，并在Agilent 66319B電源為智能手機(jī)終端提供穩(wěn)定5V電壓的情況下通過(guò)電流值的降低驗(yàn)證本方案的有效性。圖6為沒(méi)有省電方案的智能手機(jī)終端在5V穩(wěn)定電壓下24s內(nèi)4 095次電流的采樣值，平均電流為204.488mA。需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，這里的沒(méi)有省電方案僅指本文所提出的方案，對(duì)于部分省電由硬件驅(qū)動(dòng)控制的外設(shè)仍保留；圖7為有省電方案的智能手機(jī)終端在5V穩(wěn)定電壓下24s內(nèi)4 095次電流的采樣值，平均電流為89.327mA。省電亦即降低功耗，在電壓值保證不變的情況下降低電流值即降低功耗，說(shuō)明通過(guò)省電方案能有效地降低終端的功耗，方案是可行的。

圖5

結(jié) 語(yǔ)

本文從操作系統(tǒng)層級(jí)提出一種省電設(shè)計(jì)方案，有效地降低了智能手機(jī)功耗，延長(zhǎng)了待機(jī)時(shí)間。該方案的實(shí)現(xiàn)可大部分用于相似硬件平臺(tái)的嵌入式設(shè)備中，對(duì)省電技術(shù)的發(fā)展具有一定的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

圖6

圖7

［1］智能手機(jī)的硬件體系結(jié)構(gòu)［DB／OL］.（2008－06－13）［2012－12］.http：／／tech.c114.net／174／a322489.html.

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