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鐵路交通信息系統(tǒng)PDA的低功耗設(shè)計(jì)
摘要：闡述在集成傳呼功能、基于嵌入式處理器EP7211開發(fā)實(shí)現(xiàn)的二合一鐵路交通信息系統(tǒng)PDA中，為了降低系統(tǒng)的功耗，從硬件和軟件兩方面采取的各種措施。這些措施基于一定的低功耗設(shè)計(jì)原則，具有普遍性，適合一般的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。
關(guān)鍵詞：PDA EP7211 低功耗 時間復(fù)雜度
引言
PDA即Personal Digital Assitant（個人數(shù)字助理）的縮寫，是近年來繼尋呼機(jī)和移動電話之后，在國內(nèi)市場迅速崛起的便攜式電子產(chǎn)品。目前，國內(nèi)傳統(tǒng)性能的PDA產(chǎn)品經(jīng)過前幾年的高速發(fā)展后，市場需求基本飽和。不過，經(jīng)過行業(yè)應(yīng)用改造后的PDA產(chǎn)品，如文曲星、藍(lán)火等已經(jīng)在國內(nèi)市場大顯身手了。分析市場需求，我們研發(fā)了集成傳呼功能的、專門面向交通行業(yè)應(yīng)用的鐵路交通信息系統(tǒng)PDA。本PDA系統(tǒng)除了具備傳統(tǒng)PDA的個人名片管理、辭典檢索、信息速記功能外，更重要的是提供交通領(lǐng)域的民航各種航班查詢和全國鐵路列車的刻表查詢，通過傳呼系統(tǒng)及時廣播鐵路和民航行業(yè)應(yīng)用方面的如航班晚點(diǎn)、車次晚點(diǎn)、剩余票額等相關(guān)行業(yè)信息。
PDA系統(tǒng)屬于便攜式電子產(chǎn)品。這類產(chǎn)品，(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)性能指標(biāo)日益向?qū)嵱没�、方便化發(fā)展。產(chǎn)品不僅要求功能完備，用戶界面友好，操作方便簡潔，而且要求產(chǎn)品壽命長，功耗低。
產(chǎn)品低功耗設(shè)計(jì)一般從硬件和軟件兩個角度來考慮。本文重點(diǎn)闡述該P(yáng)DA系統(tǒng)所采用的降低系統(tǒng)功耗的各種措施。
1 鐵路交通信息系統(tǒng)PDA的體系結(jié)構(gòu)
在分析本PDA系統(tǒng)的功能性和非功能需求，充分了解市場硬件行性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了本PDA系統(tǒng)，其硬件體系結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
嵌入式處理器EP7211（核心模塊）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，傳呼譯碼芯片接收傳呼信息并根據(jù)傳呼協(xié)議自動譯碼；LCD提供數(shù)據(jù)顯示輸出，觸摸屏提供用戶輸入接口；Flash用來存儲可執(zhí)行應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)；SRAM為程序運(yùn)行提供內(nèi)存空間；語音錄放電路完成快速語音記憶功能；串口和紅外口完成相關(guān)的數(shù)據(jù)通信工作；電源電路為嵌入式處理器和各外圍設(shè)備提供所需要的工作電壓。
嵌入式處理器EP7211是Cirrus Logic公司專門為低成本、超低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)。它包含基于RISC體系結(jié)構(gòu)的ARM7TDMI處理器內(nèi)核和豐富的外圍接口，如CODEC音頻接口、SPI串行A/D接口、單色LCD接口、RAM接口、串行紅外接口、PWM接口、實(shí)時時鐘RTC以及電源檢測接口等。這些豐富的外圍接口，不僅降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，同時也提高了系統(tǒng)工作的可靠性。EP7211的內(nèi)核電路工作在2.5V，而外圍電路工作在3.3V。它可根據(jù)具體情況對內(nèi)核的時鐘進(jìn)行動態(tài)編程控制，可工作在18MHz、36MHz、49MHz和74MHz。另外，EP7211還有三種基本的工作狀態(tài)：正常操作（operating）、空閑（idle）和等待（standby）。在等待模式時，主時鐘被關(guān)斷，整個CPU及相關(guān)外圍（除中斷和RTC）關(guān)斷，但可通過觸摸屏中斷、傳呼中斷或復(fù)位按鈕來喚醒。
系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺采用了我們自主開發(fā)研制的、專門面向嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的XGW平臺。XGW開發(fā)平臺措鑒Windows消息驅(qū)動機(jī)制，是用C語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)的；它功能強(qiáng)大，模塊化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展性強(qiáng)，產(chǎn)品升級容易，而且開發(fā)人員較為熟悉，開發(fā)成本低，其總體框架如圖2所示。
圖2全面反應(yīng)了XGW軟件開發(fā)平臺的體系結(jié)構(gòu)，包括事件消息驅(qū)動機(jī)制（XGW軟件開發(fā)平臺中的消息分為鼠標(biāo)消息、鍵盤消息和定時器消息等三類）、內(nèi)存管理、字符和圖形顯示輸出、圖形組件庫等。圖形組件庫中的編輯框、列表框、按鈕、進(jìn)度條等圖形控件為用戶應(yīng)用程序開發(fā)提供了應(yīng)用編程接口API。不過，XGW平臺對于系統(tǒng)硬件的中斷響應(yīng)沒有提供統(tǒng)一的入口和出口，需要開發(fā)人員單獨(dú)處理。
2 硬件低功耗
硬件低功耗主要從芯片制造工藝流程和硬件體系架構(gòu)的角度出發(fā)，基本原理是盡量選用能夠滿足功能要求的功耗低的芯片。不過，芯片自身的功耗參數(shù)由制造廠商來決定，此處主要闡述CMOS芯片動態(tài)功耗以及動態(tài)電源管理兩個方面。
(1)CMOS芯片動態(tài)功耗
隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字電路從TTL工藝轉(zhuǎn)向CMOS工藝。TTL工藝為電流注入型電路，靜態(tài)和動態(tài)電流消耗接近。CMOS工藝是壓控型的，理想情況下("0"、"1"的恒定狀態(tài))靜態(tài)電流為0，實(shí)際情況下也是很小的。動態(tài)("0"、"1"間的跳變狀態(tài))電流消耗占絕對主導(dǎo)地位。CMOS動態(tài)功耗計(jì)算公式為
式中： Pd--CMOS芯片動態(tài)功耗；
Ce--CMOS芯片等效電容；
V--CMOS芯片工作電壓；
f--CMOS芯片工作頻率或工作狀態(tài)的切換頻率。
從式（1）及各參數(shù)含義看，CMOS芯片動態(tài)功耗的數(shù)值正比于工作電壓的平方，同時正比于工作頻率。在滿足系統(tǒng)功能需求的條件下，降低芯片工作電壓和工作頻率，都可以極大減少芯片的動態(tài)功耗。以處理器工作頻率為例，如果工作頻率降低一半，則該芯片動態(tài)功耗幾乎也隨之減半。在本PDA系統(tǒng)中，盡管ARM7處理器提供了18MHz、；36MHz、49MHz和74MHz四種工作頻率，但我們采用2.5V為低壓供電，18MHz工作頻率。這些參數(shù)在降低系統(tǒng)功耗的同時，也滿足了系統(tǒng)性能的需求。
（2）動態(tài)電源管理
動態(tài)電源管理技術(shù)是指有選擇地將閑置的系統(tǒng)模塊置于低能狀態(tài)。一個較為復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，除了處理器外還有很多外設(shè)電路模塊，它們協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)功能。 但在分析完成系統(tǒng)功能的過程中可以看出，并不是所有模塊在任何時間都處在工作狀態(tài)。除了嵌入式處理器外，絕大多數(shù)外設(shè)模塊都是在執(zhí)行某項(xiàng)具體功能的時候（它自己的有效操作期間）才需要供電。如音頻模塊，有語音輸入或者輸出時才需要工作；在進(jìn)行串口通信時，串口芯片需要處在工作狀態(tài)；而在更多的時間里，這些芯片都是不需要工作的。
為了系統(tǒng)功耗最小，動態(tài)電源管理的原則是系統(tǒng)完成某項(xiàng)功能，只有參與這項(xiàng)功能的模塊才供電，其它模塊設(shè)置在電源切斷狀態(tài)。在電路設(shè)計(jì)時，需要充分考慮到這個問題，盡可能為各外設(shè)模塊提供切換供電機(jī)制的引腳控制信號，而且允許通過軟件編程的措施來完成其電路開關(guān)的切換工作。
本PDA系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器外，還有異步串口、語音編譯碼芯片、音頻功放、傳呼、LCD、收音機(jī)等外部設(shè)備。傳呼的接收具有隨機(jī)性，需要一直處在工作狀態(tài)。串口、語音芯片、功放電路、LCD等可以通過一定口地址的設(shè)置來控制電源開關(guān)，使之在工作的時候提供電壓，在不工作的時候切斷電源。
各外設(shè)模塊電源口地址配置如表1所列。
表1
3 軟件低功耗
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中除了硬件低功耗措施外，也可以從軟件方面來設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)軟件低功耗措施一般涉及到處理器工作狀態(tài)間的切換、應(yīng)用模塊軟件算法的選擇和系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)調(diào)度三個方面。
(1)處理器工作狀態(tài)
便攜式系統(tǒng)工作過程中，處理器并不是任何時候都一直忙于運(yùn)行，尤其是PDA來產(chǎn)品。如今的嵌入式處理器（包括EP7211）一般都為應(yīng)用開發(fā)提供了三種工作狀態(tài)：運(yùn)行、空閑和休眠。大量的實(shí)際使用表明，更多情況下，大部分時間里系統(tǒng)是處在休眠狀態(tài)的，一旦獲得工作信號，會迅速切換到工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)下一定時間內(nèi)沒有獲得下一次需要處理的信號時，則應(yīng)該自動切空閑或者休眠狀態(tài)。因?yàn)樵诓煌墓ぷ鳡顟B(tài)，處理器內(nèi)部工作電路有所變化，功耗大小差別較大。
本PDA系統(tǒng)采用的ARM處理器，在不同工作條件和狀態(tài)下的功耗哪表2所列。
表2
注：直流供電電壓2.5V
從表2中明顯看出，處理器不同條件和狀態(tài)下的功耗參數(shù)大小的差別。在18MHz頻率下，運(yùn)行功耗(20mA)是空閑功耗（6mA）的近4倍，空閑功耗又是休眠功耗300μA的20倍。我們的目的是在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的過程中，盡最大可能使系統(tǒng)處在空閑休眠狀態(tài)來降低系統(tǒng)功耗；因此，我們應(yīng)該通過預(yù)測系統(tǒng)執(zhí)行過程的措施來切換處理器的工作狀態(tài)。分析式（1）可知，我們又不能頻繁過快地進(jìn)行處理器狀態(tài)切換，中間要留有一定的穩(wěn)定時間間隔。
XGW軟件開發(fā)平臺采用事件消息驅(qū)動機(jī)制。消息采用查詢方式，能夠?qū)崟r響應(yīng)外部中斷。在消息循環(huán)過程中，系統(tǒng)需要查詢消息隊(duì)列：當(dāng)有消息出隊(duì)時，處理器在運(yùn)行狀態(tài)處理這個消息所對應(yīng)的事件；如果一這時間間隔（如2s）消息隊(duì)列一直是空，系統(tǒng)預(yù)測在最近相當(dāng)長的時間內(nèi)不會有事件產(chǎn)生，軟件編程措施把處理器從運(yùn)行狀態(tài)切到空閑狀態(tài)；如果系統(tǒng)在更長的時間內(nèi)（如20s）沒有事件產(chǎn)生，則系統(tǒng)預(yù)測用戶需要自動軟關(guān)機(jī)，此時處理器進(jìn)入休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，處理器能夠響應(yīng)實(shí)時時鐘匹配中斷、傳呼接收中斷以及復(fù)位按鍵；一旦系統(tǒng)捕獲到這類信號，則迅速轉(zhuǎn)入到正常工作狀態(tài)。處理器在運(yùn)行狀態(tài)和空閑狀態(tài)間的切換間隔是必需的，如果切換速度過快，并不能達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。
為了縮短處理器從空閑或者運(yùn)行狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的時間，系統(tǒng)同時提供了用戶手動軟關(guān)機(jī)措施，即通過觸筆直接點(diǎn)擊屏幕某一指定區(qū)域來實(shí)現(xiàn)。
本PDA系統(tǒng)中，ARM7處理器三種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換如圖3所示。
圖3中各數(shù)字含義如表3所列。
表3
(2)軟件算法的選擇
在應(yīng)用程序編程實(shí)現(xiàn)過程中，求解同一個問題，可以有許多不同的算法。評價一個算法好壞的常用參數(shù)是算法時間復(fù)雜度、算法空間復(fù)雜度和算法的易理解編碼和調(diào)試性。算法時間復(fù)雜度定義為算法的時間耗費(fèi)，即算法所求解問題規(guī)模（求解問題的輸入量）n的函數(shù)。時間復(fù)雜度一般用O(n)來表示，當(dāng)n達(dá)到一定規(guī)模時，時間復(fù)雜度越小，執(zhí)行效率越高，招待時間越短，系統(tǒng)功耗越低。算法空間復(fù)雜度定義為該算法所耗費(fèi)的存儲空間，它也是問題規(guī)模n的函數(shù)。
我們總是希望選用一個所占存儲空間小、運(yùn)行時間短、其它性能也好的算法。然而實(shí)際上很難做到十全十美，原因是上述要求有時相互抵觸，如節(jié)約算法執(zhí)行時間需要以犧牲一定的存儲空間為代價，反之亦然。因此，我們只能根據(jù)具體情況有所側(cè)重。在本PDA系統(tǒng)中具體硬件配置時，CPU工作頻率不高，存儲空間運(yùn)行不大；但應(yīng)用程序數(shù)據(jù)量大，而且某些應(yīng)用程序如辭典互譯、時刻表檢索時數(shù)據(jù)運(yùn)算量也大。
如要在本PDA系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)英漢辭典互譯，首先會想到采用順序檢索法。這種算法對用戶輸入詞匯排列順序沒有要求，編程實(shí)現(xiàn)和理解起來都比較簡單，其算法時間復(fù)雜度為O(n)=n。當(dāng)n值較小時，這是可以允許的；但是當(dāng)系統(tǒng)詞匯量近10 000個時，算法檢索效率不高，表現(xiàn)為當(dāng)詞語位置偏后時系統(tǒng)檢索延遲過大。為了提高檢索效率，滿足一定的系統(tǒng)反應(yīng)實(shí)時性要求，我們采用了有序表二分搜索算法，其算法時間復(fù)雜度O(n)=log2n。假設(shè)n=16 384=2 14已經(jīng)超出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)模（10 000詞左右）。二分檢索所需要的最壞檢索次數(shù)是14次；但是對于順序檢索而言，在最壞查找的情況下，檢索次數(shù)是16 384次，故效率提高了16 284/14=1170倍。這個數(shù)目是相當(dāng)可觀的，而且，即使系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，二分檢索表現(xiàn)出來的所增加的檢索次數(shù)也是很小的。辭典互譯實(shí)現(xiàn)二分檢索所要做的附加工作，就是將原來無序的辭典數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成有序的辭典數(shù)據(jù)文件。不過，這個轉(zhuǎn)換工作可以在PC機(jī)上完成從而減輕本嵌入式系統(tǒng)的負(fù)荷。辭典數(shù)據(jù)排序和檢索過程中英漢辭典依據(jù)ASCII碼進(jìn)行，漢英辭典根據(jù)漢字的區(qū)位碼進(jìn)行。本PDA系統(tǒng)的民航時刻表、鐵路時刻表等應(yīng)用模塊，也都涉及到了算法選擇問題。
（3）數(shù)據(jù)調(diào)度
在許多應(yīng)用程序中，存儲器訪問是功耗的主要部分。有資料表明，內(nèi)存?zhèn)鬏斒瞧駷橹笴PU完成的操作中代價最高的：一次內(nèi)存?zhèn)鬏斚牡哪芰渴且淮渭臃ㄟ\(yùn)算的33倍多。優(yōu)化能量消耗的最大收益之一，來源于合理組織內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和指令：一般措施是盡量做到數(shù)據(jù)的寄存器訪問和緩存訪問。
隨著存儲技術(shù)理論的發(fā)展和工藝水平的提高，現(xiàn)在存儲器體系結(jié)構(gòu)一般都是三級，而且支持虛擬存儲技術(shù)，如圖4所示。
處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問時，離CPU越近的地方，數(shù)據(jù)存取速度越快，功耗越低。本PDA系統(tǒng)中，由于Flash存儲器（作為數(shù)據(jù)存儲器件）寫操作的特殊性（以扇區(qū)大小為單位、執(zhí)行時間長、執(zhí)行功耗大），要求盡量少地進(jìn)行�；谶@種策略，本PDA系統(tǒng)在數(shù)據(jù)安排方面采取了以下一些優(yōu)化措施：
①LCD幀緩存的安排。EP7211內(nèi)置38 400字節(jié)大小的RAM空間，LCD分辨率是320×240,每像素4級灰度用2比特位表示，故顯存大小為320×240×2/8=19 200字節(jié)，被安排在內(nèi)置RAM空間的前19 200字節(jié)。這樣安排，加快了顯示速度，減少了處理器訪問片外SRAM空間。
②個人傳呼信息、公共傳呼信息接收頻度大，不需要永久存儲；傳呼接收過程需要開臂兩塊緩沖區(qū)，這些空間都被安排在內(nèi)部RAM后19 200字節(jié)，其目的是減少了CPu對片外SRAM的訪問。
③部分系統(tǒng)信息資源，如字庫信息，在系統(tǒng)啟動后直接從Flash存儲區(qū)拷貝到固定位置的SRAM區(qū)，這樣字符輸出時直接從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，而不需要訪問Flash。
④為減少Flash寫操作執(zhí)行次數(shù)，在電話簿、記事本、日程以及系統(tǒng)設(shè)定等編輯修改后，首先改動的信息是在內(nèi)存中直接保存，等到用戶是退出當(dāng)前整個應(yīng)用模塊時，才進(jìn)行一個性Flash寫操作。
⑤在進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)查找過程中，為減少數(shù)據(jù)訪問量，可以通過建立若干級索引表方式加快數(shù)據(jù)檢索速度。如在辭典文件的詞匯排序過程中，同時建立了每個單詞位置的數(shù)據(jù)索引，而且作為索引文件定改Flash。在查找過程中，索引項(xiàng)的存在能夠減少檢索次數(shù)，從而快速確定單詞起始位置以及整個單詞項(xiàng)目長度，供顯示輸出。不過在增加索引時，也會增加一定的空間復(fù)雜度。
另外，系統(tǒng)還可以通過代碼壓縮減少總線上的傳輸量；編譯器優(yōu)化，消除冗余代碼；消除編程中的遞歸過程調(diào)用、減少函數(shù)調(diào)用的開銷；有效使用寄存器等措施來降低系統(tǒng)功耗。有關(guān)這些措施請見參考文獻(xiàn)[2]。
4 低功耗設(shè)計(jì)綜合闡述
以上分別從硬件和軟件兩方面闡述了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中低功耗設(shè)計(jì)的一些原則及在本產(chǎn)品中的某些具體體現(xiàn)。經(jīng)試驗(yàn)測得，本PDA系統(tǒng)功耗如表4所列。
表4
本PDA產(chǎn)品除了提代外接電源供電電路，同時還提供內(nèi)置可充鎳氫雙電池供電系統(tǒng)。設(shè)單節(jié)電池容量是500mA，則系統(tǒng)待機(jī)時間是1000小時/8=125小時，基本上可以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。隨著對嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的深刻理解和硬軟件方面某些措施的改進(jìn)，包括借鑒目前國內(nèi)外一些廠家低功耗設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，則在改進(jìn)的產(chǎn)品中，表4的某些數(shù)據(jù)還可能再降低一些，更好地滿足產(chǎn)品的低功耗要求。
其實(shí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中低功耗設(shè)計(jì)是個系統(tǒng)的概念，硬件上既要在單元級考慮，也要在單元逐步集成系統(tǒng)的階段上全面評估。因此，即使系統(tǒng)中每個模塊都是嚴(yán)格采用低功耗設(shè)計(jì)的，但在集成整個系統(tǒng)時也不一定能完全保證整個系統(tǒng)是低功耗的，低功耗設(shè)計(jì)階段應(yīng)該在進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃的同時就充分考慮進(jìn)去，而且需要建立模型進(jìn)行低功耗評估，一旦不滿足設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致偏差較大時，應(yīng)該及時修正模型。應(yīng)用軟件在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的安排上，也要考慮到具體的硬件配置。因?yàn)橛行┬实奶岣�，比如考慮引表的建立，是以犧牲一定的存儲空間為代價的。如果存儲空間太小，就需要權(quán)衡兩者的矛盾。
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