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(shí)間復(fù)雜度

引言
PDA即Personal Digital Assitant（個(gè)人數(shù)字助理）的縮寫，是近年來繼尋呼機(jī)和移動(dòng)電話之后，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)迅速崛起的便攜式電子產(chǎn)品。目前，國(guó)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(chǎng)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)大顯身手了。分析市場(chǎng)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(gè)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(guó)鐵路列車的刻表查詢，通過傳呼系統(tǒng)及時(shí)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， 性能指標(biāo)日益向?qū)嵱没⒎奖慊l(fā)展。產(chǎn)品不僅要求功能完備，用戶界面友好，操作方便簡(jiǎn)潔，而且要求產(chǎn)品壽命長(zhǎng)，功耗低。 產(chǎn)品低功耗設(shè)計(jì)一般從硬件和軟件兩個(gè)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(chǎng)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(dòng)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(chǔ)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(shí)時(shí)鐘RTC以及電源檢測(cè)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(shí)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(duì)內(nèi)核的時(shí)鐘進(jìn)行動(dòng)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(shí)，主時(shí)鐘被關(guān)斷，整個(gè)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(tái)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(tái)。XGW開發(fā)平臺(tái)措鑒Windows消息驅(qū)動(dòng)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(jí)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(tái)的體系結(jié)構(gòu)，包括事件消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制（XGW軟件開發(fā)平臺(tái)中的消息分為鼠標(biāo)消息、鍵盤消息和定時(shí)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(kù)等。圖形組件庫(kù)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(tái)對(duì)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(dòng)態(tài)功耗以及動(dòng)態(tài)電源管理兩個(gè)方面。 (1)CMOS芯片動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)("0"、"1"間的跳變狀態(tài))電流消耗占絕對(duì)主導(dǎo)地位。CMOS動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式為


式中： Pd－－CMOS芯片動(dòng)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(dòng)態(tài)功耗的數(shù)值正比于工作電壓的平方，同時(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)，也滿足了系統(tǒng)性能的需求。 （2）動(dòng)態(tài)電源管理 動(dòng)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)才需要工作；在進(jìn)行串口通信時(shí)，串口芯片需要處在工作狀態(tài)；而在更多的時(shí)間里，這些芯片都是不需要工作的。 為了系統(tǒng)功耗最小，動(dòng)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(shí)，需要充分考慮到這個(gè)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(hào)，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(shí)候提供電壓，在不工作的時(shí)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 口地址功 能工作條件 PA4 LCD背光控制低電平 PA5～PA6 紅外口控制取值00 PD1 LCD電源電路高電平 PD2 LCD點(diǎn)顯示電路高電平 PE0 控制語音播放高電平 PE1 控制音頻功放低電平

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(gè)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(shí)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(shí)間里系統(tǒng)是處在休眠狀態(tài)的，一旦獲得工作信號(hào)，會(huì)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(shí)間內(nèi)沒有獲得下一次需要處理的信號(hào)時(shí)，則應(yīng)該自動(dòng)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 名 稱頻率/MHz 消耗電流最大值/mA 條 件 休眠狀態(tài)　 300μA 32kHz時(shí)鐘晶振工作，I/O口處于禁止 空閑狀態(tài) 18 6 晶振都在工作，LCD刷新處于激活狀態(tài)，CPU是靜態(tài)的 空閑狀態(tài) 36 12 同上 運(yùn)行狀態(tài) 18 20 整個(gè)系統(tǒng)處于激活狀態(tài)，正在執(zhí)行程序 運(yùn)行狀態(tài) 36 40 同上注：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(cè)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(shí)間間隔。 XGW軟件開發(fā)平臺(tái)采用事件消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制。消息采用查詢方式，能夠?qū)崟r(shí)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(shí)，處理器在運(yùn)行狀態(tài)處理這個(gè)消息所對(duì)應(yīng)的事件；如果一這時(shí)間間隔（如2s）消息隊(duì)列一直是空，系統(tǒng)預(yù)測(cè)在最近相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不會(huì)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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)（如20s）沒有事件產(chǎn)生，則系統(tǒng)預(yù)測(cè)用戶需要自動(dòng)軟關(guān)機(jī)，此時(shí)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(shí)時(shí)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(hào)，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(shí)間，系統(tǒng)同時(shí)提供了用戶手動(dòng)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 序 號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件 1、3 系統(tǒng)20s內(nèi)一直不能捕捉到消息或者人為點(diǎn)擊屏