太極計(jì)算機(jī)股份有限公司 楊 森 王艷華

嵌入式手持終端的低功耗技術(shù)研究

太極計(jì)算機(jī)股份有限公司 楊 森 王艷華

對(duì)嵌入式手持終端的低功耗技術(shù)進(jìn)行了研究，首先對(duì)各組成單元的功耗情況進(jìn)行了分析并給出了針對(duì)每個(gè)組成單元的低功耗設(shè)計(jì)思路，接著針對(duì)一種特定的嵌入式手持終端給出了針對(duì)處理器硬件、通信單元和協(xié)議軟件的具體的低功耗設(shè)計(jì)方法。

嵌入式；手持終端；低功耗；通信單元；軟件低功耗

1.概述

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展,為嵌入式芯片技術(shù)的不斷提升創(chuàng)造了條件，芯片的集成度、復(fù)雜度越來(lái)越高，而體積則越來(lái)越小，處理器性能不斷提升的同時(shí)功耗也節(jié)節(jié)攀升[1]。隨著嵌入式系統(tǒng)的功耗的增加，帶來(lái)一系列的問(wèn)題：

1）連續(xù)工作時(shí)間的問(wèn)題

嵌入式系統(tǒng)很大一部分采用電池供電，而電池容量有限，且電池技術(shù)的發(fā)展己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于來(lái)自嵌入式系統(tǒng)計(jì)算能力和通訊功能需求，功耗己經(jīng)成為移動(dòng)設(shè)備的關(guān)鍵限制因素。在最近30年中電池容量只增長(zhǎng)了4到8倍，但在相同的時(shí)間內(nèi)數(shù)字IC運(yùn)算能量的增長(zhǎng)卻超過(guò)了4個(gè)數(shù)量級(jí)。由于嵌入式設(shè)備體積有限，可裝配的電池有限，越來(lái)越大的功耗將導(dǎo)致連續(xù)工作時(shí)間的降低。系統(tǒng)功耗與電池容量間的矛盾越來(lái)越嚴(yán)重。

2）功耗帶來(lái)的散熱問(wèn)題

嵌入式設(shè)備一般體積較小，由芯片等器件上的功耗轉(zhuǎn)化為的熱量往往不能很好的釋放，導(dǎo)致芯片內(nèi)部溫度過(guò)高，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，嚴(yán)重的甚至使系統(tǒng)停止工作。目前嵌入式芯片的性能越來(lái)越高，功耗也隨之增大，因此降低系統(tǒng)的功耗將有效的降低系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，提高系統(tǒng)可靠性。

3）資源及環(huán)境保護(hù)問(wèn)題

地球資源有限，合理的使用能源、減少浪費(fèi)的觀念越來(lái)越得到人們的認(rèn)同。因此，提高嵌入式系統(tǒng)能源效率，推廣低功耗技術(shù)將有利于保護(hù)資源及環(huán)境保護(hù)。

2.各單元功耗情況分析與降低功耗的對(duì)策

2.1 嵌入式設(shè)備功耗來(lái)源及構(gòu)成

嵌入式硬件芯片主要由CMOS單元構(gòu)成，其能耗主要來(lái)源是動(dòng)態(tài)功耗及靜態(tài)功耗，動(dòng)態(tài)功耗由電路狀態(tài)切換引起，靜態(tài)功耗由漏電流產(chǎn)生。從系統(tǒng)級(jí)看，包括四種主要的能量消耗源：處理單元，存儲(chǔ)單元，顯示單元，通信單元及其他接口。手持終端的系統(tǒng)功能要求不盡相同，在功耗構(gòu)成上也有所差異。下圖為一種手持終端的主要功耗單元構(gòu)成表：2.2 降低功耗的對(duì)策

表1 主要功耗單元構(gòu)成表

目前在嵌入式領(lǐng)域功耗降低技術(shù)可分為靜態(tài)技術(shù)及動(dòng)態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)主要使用在系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)過(guò)程中，假定設(shè)備工作模式內(nèi)容不會(huì)更改。采用特定技術(shù)來(lái)降低系統(tǒng)功耗[2]。動(dòng)態(tài)技術(shù)是在系統(tǒng)工作狀態(tài)根據(jù)工作負(fù)載的變化來(lái)動(dòng)態(tài)改變?cè)O(shè)備工作模式，來(lái)達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。由于設(shè)備的功能及工作模式的多變性，導(dǎo)致系統(tǒng)負(fù)載也隨之變化，因此采用動(dòng)態(tài)管理技術(shù)較為合理。

3.一種嵌入式手持終端的低功耗設(shè)計(jì)方法

3.1 處理器單元及外圍器件的低功耗設(shè)計(jì)

處理器及外圍器件作為功耗大戶(hù)，占到了本系統(tǒng)超過(guò)一半的功耗，主要包括了處理器芯片、內(nèi)存芯片、flash芯片、PCIe橋接芯片等[3]。

1）處理器選擇

隨著嵌入式應(yīng)用的發(fā)展越來(lái)越快，功能越來(lái)越強(qiáng)，功耗問(wèn)題日益嚴(yán)重，而CPU作為嵌入式系統(tǒng)功率消耗的主要來(lái)源，所以選擇合適的CPU對(duì)于最后的系統(tǒng)功耗大小有舉足輕重的影響。freescale公司基于ARM架構(gòu)的嵌入式處理器i.MX6，它采用了公認(rèn)的在嵌入式領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的基于ARM核的處理器，從指令集上講，ARM就具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，該處理器采用了DVFS動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，可以根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)改變處理器電壓及時(shí)鐘頻率，有效的減少了功耗。

2）外圍電路設(shè)計(jì)

外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)要注意減少靜態(tài)電流損耗，選取合適的上下拉電阻，對(duì)coms芯片的未使用管腳要拉到固定電平，防止干擾造成的跳變。

3.2 通信單元的低功耗設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)卡的功耗占到整個(gè)系統(tǒng)耗功耗的三分之一，因而在現(xiàn)有的電池能耗限定條件下，降低無(wú)線網(wǎng)卡的功耗可以有效的延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間。根據(jù)使用場(chǎng)景，各手持終端之間的通信距離是動(dòng)態(tài)變化的，因此需要對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行實(shí)時(shí)控制來(lái)達(dá)到最優(yōu)通信質(zhì)量功耗比，可以說(shuō)采用第一種方式進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)最為有效。采用的設(shè)計(jì)策略是先以滿(mǎn)功率進(jìn)行通信，獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置信息后及通信質(zhì)量后，再逐步降低發(fā)射功率，并以丟包率作為反饋信息對(duì)發(fā)射功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.3 軟件及協(xié)議算法的低功耗設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要方面是軟件低功耗設(shè)計(jì)，事實(shí)上，在微處理器及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有相當(dāng)大的一部分低功耗技術(shù)研究空間是硬件無(wú)法涉足的，而通過(guò)軟件技術(shù)可以更好地解決該問(wèn)題。軟件的低功耗設(shè)計(jì)通常是在編譯器、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序三個(gè)層次上實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3.1 嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟硬件資源的分配與調(diào)度工作，它控制、協(xié)調(diào)與并發(fā)活動(dòng)。嵌入式操作系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)目前集中在可變電壓技術(shù)和動(dòng)態(tài)功耗管理的實(shí)現(xiàn)，另一方面，面向低功耗的任務(wù)調(diào)度器也是研究的熱點(diǎn)，它通過(guò)對(duì)任務(wù)的執(zhí)行順序和時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器或外設(shè)的集中使用，從而減小系統(tǒng)的無(wú)效功耗時(shí)間。

3.3.2 協(xié)議算法的低功耗優(yōu)化

當(dāng)軟硬件平臺(tái)選型確定后，影響系統(tǒng)功耗的最主要因素就是通信單元與顯示屏，因此，我們通過(guò)協(xié)議算法對(duì)影響系統(tǒng)功耗的這兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，以節(jié)省系統(tǒng)的功率消耗。

1）對(duì)通信單元的調(diào)節(jié)與控制

當(dāng)系統(tǒng)只運(yùn)行單頻通信服務(wù)的應(yīng)用時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉另外一個(gè)不使用的通信單元；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行雙頻通信服務(wù)的應(yīng)用時(shí)，則自動(dòng)打開(kāi)兩個(gè)通信單元。

在每個(gè)通信單元的使用中，通過(guò)鏈路丟包率進(jìn)行鏈路質(zhì)量的評(píng)估，當(dāng)鏈路質(zhì)量較好時(shí)，則降低該通信單元的一個(gè)能力等級(jí)，當(dāng)鏈路質(zhì)量較差時(shí)，則提高該通信單元的一個(gè)能量等級(jí)。

需要注意的是，在鏈路丟包率的測(cè)試中，應(yīng)盡量利用鏈路的網(wǎng)絡(luò)既有載荷進(jìn)行評(píng)估，盡量減少額外的測(cè)試載荷，否則將會(huì)產(chǎn)生額外的能量消耗與用戶(hù)帶寬消耗。

2）對(duì)顯示屏的調(diào)節(jié)與控制

在策略上實(shí)現(xiàn)以下功能，即：

當(dāng)一段時(shí)間沒(méi)有用戶(hù)輸入的時(shí)候，關(guān)閉顯示屏。

當(dāng)沒(méi)有任何與顯示屏相關(guān)的應(yīng)用運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉顯示屏。

通過(guò)增加光線強(qiáng)度感知功能來(lái)對(duì)顯示屏的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)環(huán)境光線強(qiáng)度提高一個(gè)亮度等級(jí)時(shí)，增加一個(gè)量級(jí)的顯示屏亮度等級(jí)，反之，當(dāng)環(huán)境光線強(qiáng)度降低一個(gè)亮度等級(jí)時(shí)，降低一個(gè)量級(jí)的顯示屏亮度等級(jí)。

[1]熊熒,翁耕宇,鐘毅.基于WinCE的嵌入式手持壓力采集終端設(shè)備研究與設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015,37(2):126-132.

[2]戴月.嵌入式系統(tǒng)低功耗技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].電子制作,2015,9(7): 111-113.

[3]李頎,薛宇航,周維,等.倉(cāng)儲(chǔ)管理手持終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表,2014,24(3):69-72.