嵌入式手持终端的低功耗技术研究

2016-03-12太极计算机股份有限公司王艳华

电子世界 2016年23期

关键词：低功耗功耗嵌入式

太极计算机股份有限公司杨森王艳华

嵌入式手持终端的低功耗技术研究

太极计算机股份有限公司杨森王艳华

对嵌入式手持终端的低功耗技术进行了研究，首先对各组成单元的功耗情况进行了分析并给出了针对每个组成单元的低功耗设计思路，接着针对一种特定的嵌入式手持终端给出了针对处理器硬件、通信单元和协议软件的具体的低功耗设计方法。

嵌入式；手持终端；低功耗；通信单元；软件低功耗

1.概述

随着半导体技术的快速发展,为嵌入式芯片技术的不断提升创造了条件，芯片的集成度、复杂度越来越高，而体积则越来越小，处理器性能不断提升的同时功耗也节节攀升[1]。随着嵌入式系统的功耗的增加，带来一系列的问题：

1）连续工作时间的问题

嵌入式系统很大一部分采用电池供电，而电池容量有限，且电池技术的发展己经远远落后于来自嵌入式系统计算能力和通讯功能需求，功耗己经成为移动设备的关键限制因素。在最近30年中电池容量只增长了4到8倍，但在相同的时间内数字IC运算能量的增长却超过了4个数量级。由于嵌入式设备体积有限，可装配的电池有限，越来越大的功耗将导致连续工作时间的降低。系统功耗与电池容量间的矛盾越来越严重。

2）功耗带来的散热问题

嵌入式设备一般体积较小，由芯片等器件上的功耗转化为的热量往往不能很好的释放，导致芯片内部温度过高，降低系统的稳定性及可靠性，严重的甚至使系统停止工作。目前嵌入式芯片的性能越来越高，功耗也随之增大，因此降低系统的功耗将有效的降低系统产生的热量，提高系统可靠性。

3）资源及环境保护问题

地球资源有限，合理的使用能源、减少浪费的观念越来越得到人们的认同。因此，提高嵌入式系统能源效率，推广低功耗技术将有利于保护资源及环境保护。

2.各单元功耗情况分析与降低功耗的对策

2.1 嵌入式设备功耗来源及构成

嵌入式硬件芯片主要由CMOS单元构成，其能耗主要来源是动态功耗及静态功耗，动态功耗由电路状态切换引起，静态功耗由漏电流产生。从系统级看，包括四种主要的能量消耗源：处理单元，存储单元，显示单元，通信单元及其他接口。手持终端的系统功能要求不尽相同，在功耗构成上也有所差异。下图为一种手持终端的主要功耗单元构成表：2.2 降低功耗的对策

表1 主要功耗单元构成表

目前在嵌入式领域功耗降低技术可分为静态技术及动态技术。静态技术主要使用在系统初始设计过程中，假定设备工作模式内容不会更改。采用特定技术来降低系统功耗[2]。动态技术是在系统工作状态根据工作负载的变化来动态改变设备工作模式，来达到降低系统功耗的目的。由于设备的功能及工作模式的多变性，导致系统负载也随之变化，因此采用动态管理技术较为合理。

3.一种嵌入式手持终端的低功耗设计方法

3.1 处理器单元及外围器件的低功耗设计

处理器及外围器件作为功耗大户，占到了本系统超过一半的功耗，主要包括了处理器芯片、内存芯片、flash芯片、PCIe桥接芯片等[3]。

1）处理器选择

随着嵌入式应用的发展越来越快，功能越来越强，功耗问题日益严重，而CPU作为嵌入式系统功率消耗的主要来源，所以选择合适的CPU对于最后的系统功耗大小有举足轻重的影响。freescale公司基于ARM架构的嵌入式处理器i.MX6，它采用了公认的在嵌入式领域有着广泛应用的基于ARM核的处理器，从指令集上讲，ARM就具有低功耗的优势，该处理器采用了DVFS动态电压调节技术，可以根据负载实时改变处理器电压及时钟频率，有效的减少了功耗。

2）外围电路设计

外围电路设计时要注意减少静态电流损耗，选取合适的上下拉电阻，对coms芯片的未使用管脚要拉到固定电平，防止干扰造成的跳变。

3.2 通信单元的低功耗设计

无线网卡的功耗占到整个系统耗功耗的三分之一，因而在现有的电池能耗限定条件下，降低无线网卡的功耗可以有效的延长系统的工作时间。根据使用场景，各手持终端之间的通信距离是动态变化的，因此需要对发射功率进行实时控制来达到最优通信质量功耗比，可以说采用第一种方式进行低功耗设计最为有效。采用的设计策略是先以满功率进行通信，获得各个节点的位置信息后及通信质量后，再逐步降低发射功率，并以丢包率作为反馈信息对发射功率进行实时调整。

3.3 软件及协议算法的低功耗设计

实现低功耗设计的另一个重要方面是软件低功耗设计，事实上，在微处理器及计算机系统中有相当大的一部分低功耗技术研究空间是硬件无法涉足的，而通过软件技术可以更好地解决该问题。软件的低功耗设计通常是在编译器、操作系统和应用程序三个层次上实现对功耗的优化设计。

3.3.1 嵌入式操作系统

嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软硬件资源的分配与调度工作，它控制、协调与并发活动。嵌入式操作系统中的低功耗设计目前集中在可变电压技术和动态功耗管理的实现，另一方面，面向低功耗的任务调度器也是研究的热点，它通过对任务的执行顺序和时间进行优化，以实现对处理器或外设的集中使用，从而减小系统的无效功耗时间。

3.3.2 协议算法的低功耗优化

当软硬件平台选型确定后，影响系统功耗的最主要因素就是通信单元与显示屏，因此，我们通过协议算法对影响系统功耗的这两个方面进行调节与控制，以节省系统的功率消耗。

1）对通信单元的调节与控制

当系统只运行单频通信服务的应用时，自动关闭另外一个不使用的通信单元；当系统运行双频通信服务的应用时，则自动打开两个通信单元。

在每个通信单元的使用中，通过链路丢包率进行链路质量的评估，当链路质量较好时，则降低该通信单元的一个能力等级，当链路质量较差时，则提高该通信单元的一个能量等级。

需要注意的是，在链路丢包率的测试中，应尽量利用链路的网络既有载荷进行评估，尽量减少额外的测试载荷，否则将会产生额外的能量消耗与用户带宽消耗。

2）对显示屏的调节与控制

在策略上实现以下功能，即：

当一段时间没有用户输入的时候，关闭显示屏。

当没有任何与显示屏相关的应用运行时，关闭显示屏。

通过增加光线强度感知功能来对显示屏的亮度进行调节，当环境光线强度提高一个亮度等级时，增加一个量级的显示屏亮度等级，反之，当环境光线强度降低一个亮度等级时，降低一个量级的显示屏亮度等级。

[1]熊荧,翁耕宇,钟毅.基于WinCE的嵌入式手持压力采集终端设备研究与设计[J].武汉理工大学学报,2015,37(2):126-132.