通過軟件降低便攜式產(chǎn)品的功耗

1、    通過軟件降低便攜式產(chǎn)品的功耗    通過軟件降低便攜式產(chǎn)品的功耗    類別：電源技術(shù)                              &nbsp降低功耗是每個(gè)便攜

2、式產(chǎn)品開發(fā)人員的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，但功耗不僅僅與硬件設(shè)計(jì)有關(guān)，控制軟件也會(huì)對產(chǎn)品的功耗產(chǎn)生很大影響。不管是操作系統(tǒng)、BIOS控制程序還是外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，這些軟件編寫的方式?jīng)Q定了最終產(chǎn)品的功耗水平，因此在開發(fā)時(shí)必須加以考慮。本文介紹四種通過軟件降低功耗的方法，可供中國的設(shè)計(jì)工程師們參考。   &nbsp作為嵌入式軟件工程師，我們需要在質(zhì)量與效率之間尋求平衡。為此，我們要優(yōu)化軟件性能，使之能在速度較慢而價(jià)格低廉的處理器上運(yùn)行；我們要調(diào)整軟件大小，這樣就能使用更小且更便宜的存儲器?，F(xiàn)在隨著為手持式和無線裝置編寫的軟件越來越多，我們還需要優(yōu)化產(chǎn)品的功耗，以延長小型低成本

3、電源的壽命。   &nbsp有個(gè)好消息是，無論你在開發(fā)操作系統(tǒng)、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序還是應(yīng)用程序，現(xiàn)在已有多種軟件設(shè)計(jì)技術(shù)可以幫助降低功耗，下面我們重點(diǎn)討論其中的四種方法。   &nbsp智能等待   &nbsp很多最新的嵌入式處理器都具有能降低功耗的電源工作模式，最常用的是空閑模式，此時(shí)處理器內(nèi)核指令執(zhí)行部分關(guān)閉，而所有外設(shè)和中斷信號仍有電并起作用?？臻e模式比處理器執(zhí)行指令時(shí)的功耗要小得多。   &nbsp空閑模式一個(gè)主要特點(diǎn)是其進(jìn)入退出基本上不需要

4、額外開銷，通常一個(gè)毫秒可以反復(fù)很多次。任何時(shí)候只要操作系統(tǒng)檢查到所有線程都處于阻塞狀態(tài)如等待中斷、事件或定時(shí)時(shí)間，它都可以把處理器置于空閑模式以省電。由于任何中斷都能把處理器從空閑模式中喚醒，所以采用這種模式可使軟件智能等待系統(tǒng)事件，不過為最大程度提高電源效率，該工具要求我們認(rèn)真地設(shè)計(jì)軟件。   &nbsp我們都編寫過這樣的代碼，如記錄狀態(tài)寄存器內(nèi)容并等待設(shè)定標(biāo)記出現(xiàn)，也許是檢查串口的FIFO狀態(tài)標(biāo)記，看是否收到數(shù)據(jù)；也許是監(jiān)測一個(gè)雙端口存儲器看系統(tǒng)中是否有另外處理器寫入一個(gè)變量，使我們能控制共享資源。盡管從表面上看這樣的代碼沒有什么問題，但在每個(gè)時(shí)鐘周期

5、里不斷記錄寄存器狀態(tài)將無法有效延長手持裝置的電池壽命。   &nbsp更好的解決辦法是使用一個(gè)外部中斷來表明狀態(tài)何時(shí)改變。在單線程軟件環(huán)境里，你可以調(diào)用處理器空閑模式降低功耗直到發(fā)生實(shí)際事件，出現(xiàn)中斷時(shí)，處理器自動(dòng)喚醒然后繼續(xù)執(zhí)行后面的代碼。   &nbsp空閑模式甚至能用于事件不能直接連接到外部中斷的場合，在這種情況下，用一個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器定期喚醒處理器是個(gè)很好的方法。例如你在等待一個(gè)事件并且知道只要事件發(fā)生后在一毫秒內(nèi)能檢測到都能迅速做出處理，那么可以啟動(dòng)1ms定時(shí)器并把處理器置于空閑模式，每次中斷時(shí)檢查事件狀態(tài)，如果

6、狀態(tài)沒有變化，就立刻回到空閑模式。   &nbsp這種等待機(jī)理應(yīng)用很普遍，現(xiàn)今大多數(shù)PDA和智能電話都是由具有空閑模式功能的處理器和操作系統(tǒng)控制。事實(shí)上，很多這些設(shè)備每秒會(huì)多次進(jìn)出空閑模式，只要有觸摸、按鍵或時(shí)間到就會(huì)被喚醒。   &nbsp減少事件   &nbsp另一種可以考慮的技術(shù)是減少事件。智能等待是使處理器盡可能高頻率地進(jìn)入空閑模式，減少事件則是盡可能長時(shí)間地將處理器置于空閑模式，它通過分析代碼和系統(tǒng)要求來決定你是否能改變處理中斷的方式實(shí)現(xiàn)。  

7、0;&nbsp例如一個(gè)通過時(shí)隙安排線程的多任務(wù)操作系統(tǒng)，一般設(shè)定的定時(shí)中斷通常在只有1ms的時(shí)隙間隔發(fā)生。假定你的代碼很好利用了智能等待技術(shù)，操作系統(tǒng)會(huì)頻繁使處理器置于空閑模式，并一直維持直到被中斷喚醒。當(dāng)然，在這種情形下，最有可能喚醒處理器的中斷是定時(shí)器中斷本身。即使所有其它線程被阻塞，在其它中斷、內(nèi)部事件及長時(shí)間延遲之前，定時(shí)器中斷也會(huì)以每秒1,000次的頻率把處理器從空閑模式中喚醒，以運(yùn)行調(diào)度安排程序。   &nbsp但就算調(diào)度安排程序確定所有線路都被阻塞，并很快將處理器回復(fù)到空閑模式，這樣頻繁操作也會(huì)浪費(fèi)大量電源。在這樣的情況下，進(jìn)入空閑模

8、式時(shí)應(yīng)關(guān)閉時(shí)隙中斷信號，只有再次出現(xiàn)中斷信號時(shí)才被喚醒。   &nbsp當(dāng)然把時(shí)隙中斷完全關(guān)閉通常不太合適。盡管多數(shù)阻塞的線程可以直接或間接等待外部中斷，有些在特定時(shí)間還是服從于操作系統(tǒng)。例如一個(gè)驅(qū)動(dòng)器會(huì)在等待外設(shè)時(shí)睡眠500ms，這時(shí)空閑模式下如果完全關(guān)閉系統(tǒng)定時(shí)器，可能意味著線路不能按時(shí)恢復(fù)工作。   &nbsp操作系統(tǒng)最好能為調(diào)度安排程序進(jìn)行可變超時(shí)設(shè)定。操作系統(tǒng)知道每個(gè)線程是否無法確定等待的是外部還是內(nèi)部事件，或者計(jì)劃在某特定時(shí)間再次運(yùn)行，操作系統(tǒng)可算出第一個(gè)線程預(yù)定何時(shí)運(yùn)行，并相應(yīng)地在處理器置于空閑模式之前設(shè)

9、定定時(shí)器工作。可變超時(shí)設(shè)定不會(huì)對調(diào)度安排程序造成很大的負(fù)擔(dān)，但卻能節(jié)省電源和處理時(shí)間。   &nbsp可變計(jì)劃超時(shí)限定只是減少事件的一種方法，存儲器直接存取(DMA)也可讓處理器長時(shí)間處于空閑模式，即使數(shù)據(jù)正在發(fā)送至外設(shè)或從外設(shè)收取。所以只要可能，都應(yīng)在外圍驅(qū)動(dòng)器中使用DMA，省電效果相當(dāng)令人滿意。   &nbsp例如英特爾公司StrongARM處理器串口接收FIFO時(shí)，大約每收到8個(gè)字節(jié)發(fā)生一次中斷，在115,200bps速度下，發(fā)送到這個(gè)端口的11KB脈沖數(shù)據(jù)會(huì)引起處理器內(nèi)核每秒中斷1,500次，很可能使其從空閑模

10、式中喚醒，但如果實(shí)際上你不需要在這些小的8字節(jié)設(shè)備中處理數(shù)據(jù)，浪費(fèi)是很驚人的。DMA最好與大容量緩沖器一起使用，以使中斷發(fā)生的水平更加容易管理，或許是每秒10次或100次，讓處理器在兩次中斷之間空閑。事實(shí)證明，在這些場合應(yīng)用DMA能減少使用率達(dá)20%，可降低CPU功耗并提高供其它線程使用的處理器帶寬。   &nbsp性能控制   &nbsp動(dòng)態(tài)時(shí)鐘和電壓調(diào)整代表了微控制器在降低功耗方面的最新進(jìn)展，電源管理的這種進(jìn)展是基于以下觀察，即處理器消耗的能量與驅(qū)動(dòng)處理器的時(shí)鐘頻率以及應(yīng)用其內(nèi)核上的電壓平方成正比。 &#

11、160; &nbsp處理器允許動(dòng)態(tài)降低時(shí)鐘速度為節(jié)省電源邁出了第一步，降低一半時(shí)鐘速度，功耗將成比例下降。但是光采用這種技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能需要一些技巧，因?yàn)閳?zhí)行的代碼可能要兩倍長的時(shí)間才能完成，那樣的話也不會(huì)省電。   &nbsp動(dòng)態(tài)降低電壓是另一種做法。越來越多的處理器允許降低電壓，以適應(yīng)處理器時(shí)鐘速度的下降，這樣在降低時(shí)鐘速度時(shí)也能省電。事實(shí)上，只要處理器不飽和，頻率和電壓就能不斷減少，這樣還是能完成工作，而消耗的電源總體上卻比較低。   &nbsp考慮到并不是所有線程都消耗同樣多處理器帶寬，所以即

12、使這些方法也還是可以改進(jìn)的。有效應(yīng)用處理器帶寬的線程會(huì)隨著處理器時(shí)鐘速度下降而花更長的時(shí)間才能完成，這些線程使用分配給它們的每一個(gè)周期。另一方面，I/O約束線程采用分配給它的所有處理器周期，即便處理器時(shí)鐘速率下降也要用同樣長的時(shí)間才能完成。   &nbsp舉一個(gè)例子，像很多PDA使用的PC卡(以前稱為PCMCIA卡)接口，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入快閃存儲卡時(shí)，系統(tǒng)瓶頸不是處理器的速度，而是物理總線接口以及卡的固件為擦掉和重新編程閃存所花的時(shí)間。理想情況下，上面討論的智能等待技術(shù)可在這里應(yīng)用以最大程度降低功耗，但是等待時(shí)間經(jīng)常變化很大，遠(yuǎn)小于操作系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，所以智能等待

13、會(huì)影響到性能。這些驅(qū)動(dòng)程序常常檢測狀態(tài)寄存器，此時(shí)降低時(shí)鐘速度將節(jié)省一部分電源，但會(huì)對數(shù)據(jù)寫入卡時(shí)間產(chǎn)生輕微影響(多數(shù)處理器循環(huán)用于查詢)。   &nbsp當(dāng)然，問題是要知道何時(shí)能降低時(shí)鐘頻率和電壓而不會(huì)顯著影響性能。作為軟件開發(fā)商，考慮什么時(shí)候降低驅(qū)動(dòng)器和應(yīng)用代碼的時(shí)鐘速度比較難處理，該技術(shù)在多任務(wù)處理環(huán)境中更加富有技巧性。   &nbsp智能關(guān)機(jī)   &nbsp迄今為止，我們只討論了設(shè)備在運(yùn)行時(shí)能做什么，現(xiàn)在讓我們來考慮關(guān)閉時(shí)會(huì)出現(xiàn)什么情況。我們很多人都希望，打開PDA后它會(huì)處

14、于我們上次使用結(jié)束時(shí)的狀態(tài)，假如我們正在輸入一個(gè)新的聯(lián)系信息時(shí)關(guān)機(jī)，那么我們一周或一月以后重新打開還將在這個(gè)地方。這可以采用智能關(guān)機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，該程序能有效地“騙過”任何執(zhí)行應(yīng)用軟件，使其以為設(shè)備根本就沒有關(guān)閉。   &nbsp在用戶按下電源按鈕關(guān)閉設(shè)備時(shí)，有一個(gè)中斷給操作系統(tǒng)發(fā)出關(guān)機(jī)信號，然后的動(dòng)作包括保存系統(tǒng)最底層寄存器內(nèi)容。操作系統(tǒng)實(shí)際上沒有關(guān)閉程序，只是把其內(nèi)容(代碼、棧、堆、靜態(tài)數(shù)據(jù))留在存儲器里，然后把處理器置于睡眠模式，關(guān)閉處理器內(nèi)核和外設(shè)，但繼續(xù)供電給重要的內(nèi)部電路，如實(shí)時(shí)時(shí)鐘。此外，靠電池支持的DRAM在睡眠模式期間保持自刷新狀態(tài)，以使其內(nèi)

15、容完整無缺。   &nbsp再次按下電源按鈕時(shí)，一個(gè)中斷發(fā)信號喚醒處理器。喚醒中斷服務(wù)程序(ISR)采用求校驗(yàn)和程序來驗(yàn)證處理器內(nèi)部狀態(tài)恢復(fù)之前DRAM的內(nèi)容仍然保持原樣。由于DRAM應(yīng)含有與關(guān)機(jī)時(shí)一樣的數(shù)據(jù)，所以操作系統(tǒng)能直接回到設(shè)備關(guān)閉時(shí)運(yùn)行的線程，就應(yīng)用而言，它甚至根本不知道發(fā)生了什么。   &nbsp說這個(gè)方法省電主要原因是它避免了需要處理器大量計(jì)算且耗時(shí)的重啟工作。一個(gè)復(fù)雜設(shè)備重新啟動(dòng)要花好幾秒時(shí)間，其間系統(tǒng)裝載驅(qū)動(dòng)程序。從用戶的立場來看，這個(gè)時(shí)間是浪費(fèi)，因?yàn)樗谶@段時(shí)間實(shí)際上不能用設(shè)備。考慮到需要多次開關(guān)的

16、這種電池驅(qū)動(dòng)裝置，智能關(guān)機(jī)程序有很大意義，一是降低了功耗，二是提高了可用性。   &nbsp智能關(guān)機(jī)另一個(gè)重要特性是在睡眠模式期間可最大程度降低功耗。由于電池驅(qū)動(dòng)設(shè)備會(huì)一整夜或整個(gè)周末放在一邊的桌上，需要電源刷新DRAM和部分處理器外設(shè)接口，所以電池實(shí)際上在睡眠期間也會(huì)損失一些能量，最大限度減少睡眠模式下的功耗可以一次充電用上數(shù)周，而不用每天都給電池充電。   &nbsp減少睡眠模式下的功耗需要分析系統(tǒng)硬件，并確定如何將其設(shè)置為盡可能最低的電源狀態(tài)。大多數(shù)電池驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在睡眠模式期間仍然要給通用I/O引出端供電。這些I/

17、O引出端作為輸入可用做中斷以喚醒設(shè)備，作為輸出則用于給外接外設(shè)進(jìn)行配置。認(rèn)真考慮這些引出端如何配置將對睡眠模式下的功耗產(chǎn)生很大影響。   &nbsp例如把某個(gè)I/O引腳配置成輸出，它將被上拉到Vcc，但如果在關(guān)機(jī)時(shí)把引出端設(shè)置為邏輯0將會(huì)導(dǎo)致電流穿過睡眠模式下的上拉電阻。另外，如果把一個(gè)引腳設(shè)置為輸入而不與輸出端連接，它將會(huì)漂浮引起虛假的邏輯變換，從而增加功耗。重要的是，應(yīng)分析這些情況并適當(dāng)配置引腳。   &nbsp本文結(jié)論   &nbsp有很多技術(shù)可以用來降低電池驅(qū)動(dòng)裝置的功耗，有些簡單易懂，有些則不是如此。幸運(yùn)的是，由于嵌入式裝置中的電源管理越來越重要，設(shè)計(jì)人員未來在很多地方都能得到支持，如已經(jīng)出現(xiàn)的軟件技術(shù)就可以有助于降低功耗。同時(shí)，研究人員還在研究能優(yōu)化代碼的編譯器，以進(jìn)一步降低功耗，而且你還可以讓軟件開發(fā)工具自動(dòng)考慮這些電源管理技術(shù)。  &