基于定时器超时时刻调整的低功耗技术

2012-06-25段红光牟伦荣

电视技术 2012年7期

杨丰，段红光，牟伦荣

(1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065;2.重邮信科有限公司，重庆 400065)

随着通信产业技术的发展，通信服务商能够提供越来越多的服务，智能移动终端能容纳的业务也越来越丰富，多媒体的业务层出不穷［1］。移动终端作为一种便携式和移动性的设备，完全依靠电池来供电，随着其功能越来越强大，功耗也越来越大［2－3］。因此，必须提高移动终端的待机和使用时间。对于这个问题，有两种解决方案:一种是配备更大容量的电池;另一种是改进系统设计或者算法设计［4］，采用先进技术，降低其功耗［1］。然而现有设备为了方便携带而越做越小，因此电池容量也无法提高，新型的燃料电池距离投入实际使用还有一段时间，所以电源的问题将成为移动终端发展的最大瓶颈之一［5］。那么如何通过改善系统设计，最大限度地降低系统功耗，成为移动终端发展的关键问题。针对通信系统中各定时器和网络端时钟频繁产生中断使系统过早进入工作状态的问题，为了解决该问题，现有技术从不同的角度对此进行了不同手段的研究，要么是对慢时钟进行改进，要么是维护慢时钟，要么是对慢时钟和快时钟进行对应关系的处理来达到离开睡眠模式尽快同步网络［1］。然而，在没有外部时钟作为参考基准的前提下，以上技术都难以实施，正是基于这种情况，本文结合移动终端的技术特点，提出并验证了一种基于定时器超时时刻调整的技术，该方法无需使用外部时钟作为参考即可减少设备在睡眠状态被定时器唤醒的次数，能够有效地降低系统功耗，这对节能减排事业做出了一定的贡献［6］，并且对移动通信产业的发展具有积极的理论意义和现实意义。

1 移动终端的工作状态

在移动终端中，系统的各个功能模块可以处于3种工作状态，即工作模式、空闲模式和睡眠模式［7－8］。工作模式是指该模块在进行正常的业务处理;空闲模式是指该模块当前没有业务处理;睡眠模式是指该模块处于低功耗或者关闭状态［8］。

3种工作状态之间的切换如图1所示。

图1 移动终端工作状态转移图

在工作模式下，如果工作任务完成，则进入空闲模式。在空闲模式下，如果收到睡眠指示，则进入睡眠模式;如果有业务产生，则返回工作模式。在睡眠模式下，如果睡眠时间结束，自然唤醒，则进入空闲模式;如果有业务产生，则返回工作模式。当终端处于空闲模式和工作模式时，各模块处于正常供电状态，系统时钟频率较高，此时功耗较大，而当终端处于睡眠模式时，各模块供电电压降低甚至关闭，系统时钟频率较低，功率较小［9］，因此，要降低设备功耗，增加终端的待机和使用时间，一个很重要的方面就是让终端尽可能多地处于睡眠状态。

2 基于定时器超时时刻调整的低功耗技术

2.1 低功耗技术方案

在移动中，系统通常会通过设置定时器的方法来定时或延时执行一些任务，定时器在被创建或开启时，可以设定其预定时长T，当终端进入睡眠状态时，这些定时器会继续计时，当某个定时器超时，会产生中断，将终端从睡眠状态唤醒进入空闲模式或工作模式，任务完成后，终端会再次进入睡眠状态，等待下一次唤醒。因此，要让终端更多地处于睡眠模式，降低功耗，一个有效的方法就是减少终端在睡眠过程中被定时器唤醒的次数，使其睡眠时间更长。在实际应用中，系统设定的定时器一般都存在一定的时间偏差容忍度Δt，即定时器可在其预定超时时刻Tp前后Δt范围内的任意时刻超时，而不会对系统任务的执行造成影响，不同的定时器，其Δt也不相同。鉴于此，提出一种可减少移动终端在睡眠状态被定时器唤醒的次数，降低系统功耗的方法，如图2所示。

图2 低功耗技术方案流程图

低功耗技术方案流程如下:

1)终端在进入睡眠模式前，对已开启的各定时器，在其各自的Δt范围内分别调整其定时长度，将定时器与其Tp±Δt范围内超时的其他定时器设定在同一时刻超时;

2)设定终端睡眠时间，进入睡眠;

3)退出睡眠模式时，为了保证实时定时器超时时刻更加精确，修正其定时长度。实时定时器定时长度修正为T+(Tp－实际超时时刻)。

本技术通过在时间偏差容忍度范围内对各定时器超时时刻的调整，使得各预定超时时刻不同，但Tp±Δt范围上有重叠的定时器能够设定在同一时刻超时，从而减少了移动终端在睡眠模式下被唤醒的次数，降低了系统功耗。

2.2 定时器超时时刻的调整方法

系统所开启的定时器超时时刻的调整方法总结为3种，为了详细具体地阐述此调整方法，以实例的形式进行解释。实例中调整前各定时器超时时刻示意图如图3所示，终端进入睡眠前共有5个已开启的定时器，其Tp及Δt分别为 Tp1和 Δt1，Tp2和 Δt2，Tp3和 Δt3，Tp4和 Δt4，Tp5和Δt5;各定时器的Tp和Δt如图3所示，其中，T1～T5分别为定时器1～5的定时长度，TS1为当前时刻，即终端进入睡眠模式的时刻。

图3 调整前各定时器超时时刻示意图

方法一流程图如图4所示:

1)按各定时器的Δt从小到大的顺序，依次对每个定时器，向前查询，判断是否有满足该定时器合并条件的定时器。

2)如果有满足该定时器合并条件(时间偏差容忍度不大于本定时器的Δt，超时时刻Ta等于自身预定超时时刻，且在本定时器的Tp±Δt范围内的定时器)，将该定时器超时时刻设定为满足合并条件的定时器中Δt最小的定时器的超时时刻;如果没有满足该定时器合并条件的定时器，将该定时器超时时刻设定为预定超时时刻。

实例中，各定时器Δt的大小顺序为，Δt4＜Δt5＜Δt3＜Δt2＜Δt1，定时器4的Δt4最小，没有满足合并条件的其他定时器，因此，设定其超时时刻Ta4=Tp4;设定定时器5的Ta5时，只有定时器4是其满足合并条件的其他定时器，因此设定其超时时刻Ta5=Tp4;对定时器3设定时，满足合并条件的其他定时器有定时器4，因此设定其超时时刻Ta3=Tp4;对定时器2设定时，没有满足合并条件的其他定时器，设定其超时时刻Ta2=Tp2;对定时器1设定时，满足合并条件的其他定时器为定时器2，设定其超时时刻Ta1=Tp2。采用方法一，调整后的超时时刻示意图如图5所示。

图4 定时器超时时刻设定流程图(方法一)

图5 调整后的超时时刻示意图(方法一)

方法二流程图如图6所示:

1)计算各定时器的预定超时时刻被其他定时器的Tp±Δt包括的次数;

2)选择一个被包括次数最多的预定超时时刻作为基准时刻;

3)将Tp±Δt包括基准时刻的各定时器的超时时刻设置为基准时刻;

4)对剩余的未设定超时时刻的定时器，重复上述步骤，直到完成所有定时器超时时刻的设置。

实例中，Tp1包括在Tp2±Δt2范围内;Tp2包括在Tp1±Δt1和 Tp3±Δt3范围内;Tp3包括在 Tp1±Δt1和Tp2±Δt2范围内;Tp4包括在 Tp3±Δt3和Tp5±Δt5范围内;Tp5没有被其他Tp±Δt包括。首先选择一个被包括次数最多的预定超时时刻Tp2作为基准时刻，设定定时器1～3的超时时刻Ta1=Ta2=Ta3=Tp2;剩余的定时器4和5再次执行步骤1)～3)后，设定定时器4和5的超时时刻为Ta4=Ta5=Tp4。采用方法二，调整后的超时时刻示意图如图7所示。

图6 定时器超时时刻设定流程图(方法二)

图7 调整后的超时时刻示意图(方法二)

方法三流程图如图8所示:

1)计算所有未调整超时时刻的定时器的Tp±Δt范围，选择被最多个定时器的Tp±Δt包括的时间段Δtmax;

2)在Δtmax中选择一个时间点Tmax作为基准时刻;

3)设定Tp±Δt范围内包括了Δtmax的定时器的超时时刻为Tmax;

4)对剩余的未设定超时时刻的定时器，重复步骤1)～3)，直到完成所有定时器超时时刻的设置。

实例中，Tp2±Δt2，Tp3±Δt3，Tp4±Δt4和 Tp5±Δt5共同覆盖的时间段Δtmax是被最多个定时器的Tp±Δt包括的时间段;在Δtmax中选择时间点Tmax作为基准时刻;设定定时器2～5的超时时刻Ta2=Ta3=Ta4=Ta5=Tmax;剩余的定时器1没有其他未调整的定时器的Tp±Δt与Tp1±Δt1有共同的覆盖范围，设定定时器1的Ta1=Tp1。采用方法二，调整后的超时时刻示意图如图9所示。