（计算机应用技术专业论文）嵌入式系统低功耗设计研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 嵌入式系统低功耗设计的目标是在满足用户对性能需求的前提下，尽可能降低 系统的能耗，延长设备的待机时间。随着市场对可移动式嵌入式设备在体积和性能 方面要求的不断提升，嵌入式设备小体积、高性能与有限的电池能量之间的矛盾嗣 益突出，嵌入式系统低功耗设计是解决这一矛盾的有效手段。它包括硬件低功耗设 计和软件低功耗设计两个方砸。 硬件低功耗设计为整个系统的低功耗运行提供硬件支持。电路级的硬件低功耗 设计主要围绕处理器的低功耗特性和外围芯片的特点，设计处理器的供电电路和外 围芯片的电源控制电路：处理器供电电路允许改变处理器内核的输入电压，使处理 器内核的工作电压随着不同的处理器时钟频率而改变，以减小处理器的功耗；外围 芯片的电源控制电路使处理器能够控制外围芯片电源的开启和关闭，从而能够减小 外围芯片的功耗。 软件低功耗设计的主要目标是在嵌入式l i n u x 系统中实现一套可行的低功耗管 理策略，并且采用的技术和算法并不改变l i n u x 现有的调度机制。主要工作包括： 围绕处理器内核可动态改变时钟频率和工作电压的特点，在嵌入式l i n u x 系统中实 现可变电压技术；针对处理器提供的多种工作模式，在嵌入式l i n u x 系统中实现动 态功耗管理，控制处理器在适当的时候睡眠或唤醒：针对外部设备的特点，在嵌入 式l i n u x 中实现外部设备的电源管理机制，包括外部设备的状态监控、睡眠和唤醒 操作以及相应的管理策略。 关键字：嵌入式系统，低功耗设计，电源管理，可变电压技术，动态功耗管理 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h ep u r p o s eo fl o wp o w e rd e s i g ni st om i n i m i z et h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fa n e m b e d d e d s y s t e ma n de x t e n dt h el i f e t i m eo fb a t t e r yw i t h o u tl o s i n gi t sp e r f o r m a n c e w i t h t h e d e v e l o p i n gr e q u i r e m e n ti n s i z ea n dp e r f o r m a n c eo fe m b e d d e dd e v i c e sf r o mt h e m a r k e t ，t h eg a pb e t w e e ns m a l ls i z e ，h i g hp e r f o r m a n c ea n dt h el i m i t e db a t t e r yl i f eh a s b e c o m em o r ea n dm o r ew i d e ，l o wp o w e rd e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mi s a ne f f i c i e n t a p p r o a c ht os o l v et h a tp r o b l e m l o wp o w e rd e s i g no fe m b e d d e ds y s t e mc o n s i s t so ft w o p a r t s ：o n ei s l o w p o w e rd e s i g no f h a r d w a r ea n dt h eo t h e ro n ei sl o wp o w e rd e s i g no f s o f t w a r e t h ep u r p o s eo fl o wp o w e rd e s i g no fh a r d w a r ei st o g i v eah a r d w a r es u p p o r tt o o p t i m i z et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fw h o l es y s t e m l o wp o w e rd e s i g no fh a r d w a r ea t c i r c u i tl e v e lf o c u s e so nl o wp o w e rc h a r a c t e ro f p r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a l s ，d e s i g n st h e p o w e rs u p p l yc i r c u i to fp r o c e s s o ra n dp e r i p h e r a l s ：t h ep r o c e s s o r sp o w e rs u p p l yc i r c u i t c a n d y n a m i c a l l yc h a n g ei t so u t p u tv o l t a g e ，i ta l l o w sp r o c e s s o rt oc h a n g ei t si n p u t v o l t a g ea c c o r d i n gt o i t sc l o c kf r e q u e n c y ；t h ep e r i p h e r a l s p o w e rs u p p l yc i r c u i ta l l o w s p r o c e s s o r t oc o n t r o l p e r i p h e r a l s p o w e rs u p p l y f r o m t h i sw ec a nr e s t r i c t e n e r g y c o n s u m p t i o n o ft h ep e r i p h e r a l s t h e g o a l o fl o wp o w e r d e s i g n o fs o f t w a r ei st or e a l i z ea ne f f i c i e n t p o w e r m a n a g e m e n tm e c h a n i s m ，a n dt h ea d o 。p t i v et e c h n o l o g yo ra l g o r i t h m sd on o tc h a n g et h e s c h e d u l ep o l i c yo fl i n u x t h em a i nw o r ki n c l u d e s ：a d d i n gd y n a m i cv o l t a g es c a l i n gt o e m b e d d e dl i n u x ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r so f p r o c e s s o r ，w h i c hc a l ld y n a m i c a l l yc h a n g ei t s s p e e da n dv o l t a g e ；a d d i n gd y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t t oe m b e d d e dl i n u x ，a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tw o r km o d e so f p r o c e s s o r , f r o mt h i sw e c a nc o n t r o lt h ep r o c e s s o rt os l e e po r w a k eu pa tt h er i g h tt i m e ；r e a l i z i n gac o n t r o lm e c h a n i s mo f p e r i p h e r a l si ne m b e d d e d l i n u x ，i n c l u d i n ga c q u i r i n gt h ei n f o r m a t i o no fp e r i p h e r a l s ，o p e r a t i o n st h a tp u tt h e mi n t o s l e e p i n go rw a k i n gu p a n dt h er e l a t e dm a n a g e m e n t p o l i c y k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，l o wp o w e rd e s i g n ，p o w e rm a n a g e m e n t ，d y n a m i cv o l t a g e s c a l i n g ，d y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：勇k 祸 日期：2 砰年5 月反日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：录揍 日期：工t 蝉年6 月麒日 指删币躲仰易 日期：痧薛，月f 0 日 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = g = 2 1 1 课题背景 1 绪论 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应 用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统”。随着 嵌入式系统的不断发展，其概念也在不断延伸矛扩展，也有人将嵌入式系统定义为： 基于微处理器的，用以实现一项或多项任务，并且不能像个人电脑( p c ) 那样被最 终用户所编程的系统【2 】。 嵌入式系统的最大特点是其具有目的性或针对性，即嵌入式系统是为了满足某 个特定领域内的需求而开发的，因此它常常受到空间、成本、存储等条件的限制。 这也决定了嵌入式系统在实时性及功耗等方面较其它计算机系统而言，有较为苛刻 的要求。 嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处 理器的类型已经超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有数十个系列。随着人们对嵌入式产 品功能和性能要求的不断提高，以8 0 5 1 、z 8 0 为代表的8 位控制器在运算速度、支 持的外设种类、寻址空间及对操作系统支持等方面已经很难满足高端嵌入式系统的 需求。特别是在9 0 年代后期，随着网络时代的来临和无线通讯技术的发展，许多嵌 入式设备需要更智能化和更强的计算能力，如：采集、处理和传输音频或视频数据； 运行图形用户界面；支持无线通讯和以太网通讯协议等。以a r m 、p o w e r p c 、m i p s 等为代表的3 2 位高性能嵌入式处理器由于其良好的可扩展性和丰富的软件支持，逐 渐成为业界发展的主流，其发展势头已经赶上并超越了p c 处理器。3 2 位的驱动力 来自以下几个方面的要求：更复杂的控制算法、网络通讯以及更成熟的人机界面【3 j 。 与p c 处理器不同的是，高性能嵌入式处理器除了将计算速度作为性能评价指标外， 还将系统集成度和整体功耗考虑进去。同时这些指标又相互促进、相互制约。如何 取得各性能的平衡，使之符合应用的需求，是嵌入式系统设计的重点1 4 j 。 随着嵌入式系统性能的不断提高，嵌入式系统对电池的要求远远超过了电池使 用寿命的进步。摩尔定律表明：处理器的性能每1 8 个月就翻一番：与此同时，电池 的能量密度每1 0 年才翻一番 s l 。而且，系统性能遵循另一条法则s h 啪o n 定律， 该定律指出：通讯系统对性能的要求每8 5 个月就翻番，这大约是处理器性能发 展速度的两倍，是电池寿命发展速度的1 4 倍。对移动通讯设备而言，低功耗与处理 华中科技大学硕士学位论文 器速度和效率处于同等重要的地位，它可为这类设备提供所需要的持久性性能。移 动通讯设备高计算能力所产生的功耗与其可持续工作时间之间的矛盾已经越来越突 出，低功耗设计是解决这一矛盾的必然要求。很多学者认为，低功耗技术将是研究 下一代微处理器系统所关心、研究和解决的重点目标之- - 6 1 。 本课题的研究是基于武汉精伦电子公司的手持式i f o n e 进行的。它是集个人数 字助理( p d a ) 、无线通讯和多媒体功能于一体的手持设备。i f o n e 采用了基于i n t e l x s c a l e 体系结构的p x a 2 5 5 处理器，提供了3 2 m 闪存和6 4 m 内存空间、3 2 0 x 2 4 0 彩色液晶显示屏( l c d ) ，它的计算能力和存储空间可以满足音频或视频解码等高端 的嵌入式应用需求。同时i f o n e 提供了丰富的外围接口，包括键盘、触摸屏、通用 串行总线( u s b ) 接口，以及红外等。软件方面，i f o n e 采用嵌入式l i n u x 作为嵌入 式操作系统。与其它的嵌入式操作系统如w i n c e 、v x w o r k s 、p s o s 相比，l i n u x 具 有适应多种体系结构的中央处理器( c p u ) 、性能稳定、可裁剪性能好、开发和使用 都很容易等特点【”。 然而，手持式的i f o n e 在提供丰富功能的同时受到设备体积和待机时间的限制， 解决i f o n e 高性能与有限电池寿命之间的矛盾是本课题研究工作的目标。课题研究 工作将主要围绕i f o n e 的硬件和软件设计，提出一套在高性能、移动式的嵌入式系 统中实现低功耗设计的方案。 1 2 国内外概况 1 国内外类似系统的概况 进入2 0 世纪9 0 年代以来，嵌入式技术迅速发展，已经成为通讯和消费产品的 共同发展方向。在通讯领域，手机、数字电视、无线网络等新产品已经逐渐进入人 们的日常生活；在个人领域，个人数字助理( p d a ) 已经成为移动计算的新平台。 集网络、控制、信息等多种功能于一身的移动平台是嵌入式系统发展的趋势。随着 需求的不断提升，嵌入式系统在软硬件方面不断面 临新的挑战，主要包括：支持不 断增长的功能密度、灵活的网络连接、多媒体信息处理以及轻便的移动性能，及延 长系统的待机时间。 电池技术的发展已经远远落后于来自嵌入式系统计算能力和通讯功能需求，在 这种背景下，功耗已经成为可移动设备的关键限制因素。降低功耗就是有效地减小 嵌入式系统的工作电流。当含有嵌入式处理器的系统工作电流达到1 a 时，它已经 基本不可能依赖于电池供电来工作；如果电流降至1 0 0 m a 的数量级，普通电池只能 2 华中科技大学硕士学位论文 保证系统连续工作数小时；当电流降至u a 级时，系统就可以长期工作，只需偶尔 更换电池j 。因此，我们需要尽可能地提高电能的利用率以节约能量，主要方法是 使用低功耗的器件和采用有效的功耗管理措旌来降低功耗，并将低功耗设计方法扩 展到可移动设备的各个组成部件。随着便携式产品自身和绿色环保的需要，各家半 导体公司近几年十分重视对低功耗产品的开发，出现了e p s o n 、n e c 等以低功耗称 雄的厂商。但是，并不是所有的产品都能满足市场对低功耗和高性能的需求。就处 理器而苦，只有通过现代处理器构架才能获得上述性能，这要求处理器提供灵活的 时钟系统和多种低功耗模式。如：i n t e l 公司的基于x s c a l e 体系结构p x a 2 5 5 处理器 提供了五个不同的时钟源和四种不同的处理器工作模式，在低功耗方面具有较大的 优势。 在p c 机中，能量消耗最多的依次是显示器( 6 8 ) ，磁盘( 2 0 ) 和c p u ( 1 2 ) 9 1 。就嵌入式系统而言，减小显示设备的能耗空间是有限的，这更多的依赖于 显示设备的硬件改进，而且大多数嵌入式系统并没有磁盘。因此，减小嵌入式系统 的功耗将主要涉及到嵌入式处理器和外围器件。 处理器是嵌入式系统的核心部件，随着其处理能力的不断提高，如何降低处理 器的功耗是嵌入式系统低功耗设计的重点部分。从处理器设计的角度来说，提高处 理器工作效率的技术主要包括：选择性硬件加速、动态频率控制、直接内存存取和 时钟门控等。目前主要通过以下几个方面改进来降低处理器的功耗：使用更大规模 的v l s i 组件集成技术来降低电容、提供多种时钟频率、降低工作电压1 1 “。其中降低 工作电压是减小处理器功耗最有效的途径【1 1 】。这是基于对互补型金属氧化物半导体 ( c m o s ) 器件进行功耗特性分析得出的结论。c m o s 工艺的微处理器功耗主要由 静态功耗和动态功耗构成，动态功耗占能量消耗的主导地位i l 。由公式( 1 1 ) 可知， 微处理器的动态功耗正比于处理器时钟频率和处理器工作电压的平方： e n e r g y o cv o l t a g e 2 + f r e q u e n c y ( 1 1 ) 式中，e n e r g y ： 处理器的动态功耗；v o l t a g e 为处理器的工作电压；f r e q u e n e y n 处n 器的时钟频率。 因此，要降低处理器的功耗，可以通过两种途径达到：降低处理器的工作电压 和降低处理器时钟频率【1 2 】。其中。降低处理器的工作电压是最有效的途径，这也是 目前微处理器工作目g - n t 向越来越低趋势发展的原因，目前许多公司生产的嵌入式 处理器工作电压均可降至2 v 以下。但是，降低处理器工作电压会导致电路延迟的增 加( 同时也减小了吞吐率) ，从而限制了处理器的时钟频率【1 3 】。虽然这种损失可以 华中科技大学硕士学位论文 通过平衡负载和流水线操作来补偿 1 4 】，但两者之间仍然要保持一定的比例关系。为 平衡处理器性能和处理器功耗之间的关系，高性能嵌入式处理器大都提供多种时钟 频率和工作电压的选择，以最大限度的节约能耗。如：i n t e lp x a 2 5 5 处理器允许处 理器的时钟频率在1 0 0 m h z 至i j 4 0 0 m h z 之间变化，与时钟频率对应的工作电压在 o 8 5 v 到1 6 5 v 之间变化。 外围设备的电能消耗也是低功耗设计必须考虑的因素。对外围器件而言，低功 耗c m o s 器件是较好的选择，也就是选择有较低工作电压、低晶振频率以及较低时 钟速度的器件”。特别是具有低功耗模式的外围器件，当没有数据需要处理时，它 们能够自动进入睡眠状态，从而减少功耗。对于没有低功耗模式的外围器件，可以 设计相应的电源控制电路，使外围器件在不工作时切断电源，以减少无效功耗【l “。 实现低功耗设计的另一个重要方面是软件低功耗设计。谈到低功耗技术，大多 人都会认为这是微电子和体系结构等硬件工作的事情。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，只有通过软件 技术才能得到解决 1 ”。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。 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、调度工作，控制 并协调并发活动【1 8 】。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【1 9 】。可变电压技术通过评估系统的工作状况，调整嵌入式处理器 的工作速度和电压来节约能耗；动态功耗管理则是选择适当的时机将处理器置入睡 眠状态。另一方面，面向低功耗的任务调度也是研究的热点，它通过对任务的执行 顺序和时间进行优化，实现对处理器或外设的集中使用，减小系统的无效功耗时间。 对程序进行编译优化是降低功耗的另一个有效途径。在编译时对功率和能量的 优化技术是对硬件和操作系统低功耗优化的有效补充，编译器具有能够分折整个应 用程序行为的能力，它可以对应用程序的整体结构按照给定的优化目标进行重新构 造【”1 。利用编译器对应用程序进行优化和变换，对降低系统能量消耗有重要的作用。 仅通过对应用程序的指令功能均衡优化和降低执行频率就有可能比优化前节省5 0 的能量消耗1 7 】。当然，降低功耗是比改善性能的优化更为复杂的问题。 此外，软件的低功耗设计也离不开应用程序的配合，如果应用程序本身能够提 供它运行所需要的一些参数，如对运行时间和空间的需求，则可以帮助操作系统更 合理地设置系统的工作状态。在某些嵌入式系统中，任务到达时问和任务执行时间 是实现系统低功耗设计的重要参数2 。1 。任务执行是否具有周期性也是软件低功耗设 计中的重要参考量。 4 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；! = = = = = = = = = = 一! 嵌入式系统的低功耗设计可以创造很高的社会效益和经济效益，国外发达国家 很早就注重对嵌入式系统的低功耗设计，在我国对于嵌入式系统低功耗设计也正逐 渐被重视起来。然而，由于国内嵌入式系统低功耗设计起步较晚，目前国内嵌入式 系统低功耗设计的水平还不太高，而且大多停留在追求局部、片面的低功耗设计的 层次上，真正骜体全薤的嵌入式系统低功耗设计理论还没有得到完全的推广与应用 1 2 1 o 在低功耗的电子系统设计中，尤其是移动设备，需要一个纵向的综合设计方案， 从算法设计、系统体系结构到电路布线都需要仔细考虑到功耗因素。如果算法和硬 件的设计考虑周到，嵌入式系统能够实现较低的功耗并且不会牺牲系统的性能2 ”。 2 主要关键技术 嵌入式系统低功耗的优化方法可以分为几个层次，自下而上分别是电路级、逻 辑级、寄存器传输级、行为级、算法级和系统级【2 3 1 。目前低层次( 电路级和逻辑级) 上的功耗优化方法已比较成熟，只是在具体实现上还有一些需改进的地方：而高层 次( 行为级、算法级和系统级) 的功耗优化技术还处于研究阶段( 2 4 j 。降低嵌入式系 统的功耗涉及到硬件设计、硬件选型、操作系统以及编译程序设计等诸多方面。对 于手持式的i f o n e 来说，低功耗设计的主要手段是选择合适的处理器、设计处理器 的供电电路以及实现对外围器件的电源控制。当然，所有硬件特性的发挥都离不开 嵌入式操作系统的支持，需要对嵌入式l i n u x 在低功耗支持方面进行扩充和改造。 从减少功耗的角度出发，处理器的选择除了要考虑封装、性能、工作电压等参 数外，还要重点考虑处理器是否具有针对低功耗的工作模式，以及是否可以选择不 同的时钟频率和工作电压，这些都是提高能量使用效率的有效支持。i f o n e 设计时选 择了i n t e lp x a 2 5 5 作为处理器。它提供了可在线改变处理器工作频率和完善的电源 管理功能，低功耗指标处于业界的领先地位。p x a 2 5 5 提供了多种时钟频率和工作电 压的选择，同时提供了多种工作模式。如何选择适当的处理器速度和工作模式是本 课题研究的重点。我们通过可变电压技术和动态功耗管理来实现这一目标。 可变电压技术是指根据系统的不同工作状态对系统性能的不同要求，动态地改 变处理器的时钟频率和工作电压以最大限度地降低功耗【2 “。并非所有的程序都需要 处理器的峰值运算速度来完成它们的任务，如果处理器能够根据程序的需求动态地 改变它的速度，则能够降低处理器的功耗。实现这一技术需要两个方面的支持： 一是处理器的供电电路设计允许改变处理器的输入电压。p x a 2 5 5 处理器提供 了四种不同的电源输入：v c c q 、v c c n 、v c c 和p l l _ v c c ，其中v c c 和p l lv c c 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；= = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = = 2 1 1 = = = = 一 分别为处理器内核和处理器内部锁相环提供电源，它们的电压允许随着处理器的不 同时钟频率而改变。可通过一个由1 2 c 总线控制的电压输出数模转换器( d a c ) 来 调节v c c 和p l l v c c 上的输入电压。电压转换电路的功耗和电压转换时间对性能 的影响是这项技术选择的制约因素； 二是在嵌入式操作系统中选用适当的算法来控制处理器的时钟频率和输入电 压，使它们随实际需要而变化。处理器的时钟频率和工作电压变化并不是随意的， 它取决于任务对处理器性能的需求。如果处理器在较重的负荷下工作，降低它的速 度就意味着延长了任务执行时间，这并不能节约能量【2 5 1 。也就是说，我们要采用适 当的算法来实现可变电压技术。可变电压技术的各种算法都是期望在处理器的时钟 频率( 工作电压) 和工作负荷之间寻找一种平衡机制，以达到既能够满足系统性能 需求又节约能耗的目的。常用的可变电压技术实现算法包括：p a s t 算法【2 6 】、p e a k 算法口和a v g n 算法【2 “。 实现处理器低功耗的另一个方法是动态功耗管理。它是一种使系统或系统单元 在不工作时进入低功耗的睡眠状态的控制技术【2 3 1 。p x a 2 5 5 提供了处理器的睡眠模 式，在该模式下，处理器的功耗降到最低。然而，处理器部件在状态转化时要消耗 时间和能量，只有在空闲时间足够长时进入睡眠状态，才能弥补状态切换所需要的 额外时间和能耗。动态功耗管理的核心内容是嵌入式操作系统根据系统的运行情况， 决定系统何时进入低功耗的睡眠状态。由此发展了两类技术 2 9 - 3 2 ：基于t i m e o u t 算 法的技术和基于预测算法的技术。 实现嵌入式系统整体低功耗的另一个重要方面是外围器件的低功耗运行。外围 器件的工作模式通常只分为正常和低功耗两种模式，从操作系统的角度来看，实现 它们低功耗运行需要考虑的问题是如何选择合适的时机关闭或唤醒外部设备。对具 有低功耗模式的外围器件而言，设计的重点是通过操作系统记录外设的工作状态， 控制外设休眠的时机；对无低功耗模式的外围器件而言，需要增加电源控制电路来 控制它们的运行，嵌入式操作系统除了要记录这些设备的工作状态，适时切断它们 的供电外，还要负责再次使用这些设备时恢复它们现场状态。外围器件低功耗的主 要工作是通过改造嵌入式l i n u x 的设备驱动来完成的，因为同设备打交道的底层驱 动程序的行为方式是影响外设功耗的重要因素。比如：c p u 可通过查询方式了解外 设的状态信息，也可以通过中断方式得到相关信息，从降低功耗的角度来看，中断 方式显然可以让c p u 有更多的空闲时间。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 3 课题主要研究工作 1 课题的研究设想和方法 如前所述，本课题的研究主要解决i f o n e 的高计算能力和有限的电池寿命之问 的矛盾，在尽量不影响系统性能的情况下实现手持式i f o n e 的低功耗运行，同时也 为高性能的3 2 位嵌入式系统的低功耗设计提供一种思路和方法。课题的研究分为硬 件低功耗设计和软件低功耗设计两个方面。 硬件低功耗设计主要围绕p x a 2 5 5 处理器的特点和提供的外围接口，实现i f o n e 硬件设计面向低功耗的优化。主要工作一是处理器的供电电路设计，包括向p x a 2 5 5 的v c c q 和v c c n 提供3 3 v 的工作电压，以及向处理器内核和锁向环提供一个能 在0 8 5 v 1 6 5 v 之间变化的输入电压；二是对于没有低功耗模式的外围芯片设计一 个电源控制电路来控制它4 r 的运行，即通过p x a 2 5 5 的通用端口( g p i o ) 来控制电 压转换电路开启和停止，实现对外围芯片的供电控制。 软件低功耗设计的主要目标是在嵌入式l i n u x 系统中实现一套可行的低功耗管 理技术和相应的算法，同时这些技术和算法的实现并不改变l i n u x 现有的调度策略。 主要分为三个方面，一是围绕p x a 2 5 5 提供可动态改变时钟频率和工作电压的特点， 在嵌入式l i n u x 内核中实现可变电压技术，通过这项技术来控制处理器的速度和工 作电压；二是针对p x a 2 5 5 提供的多种工作模式，在嵌入式l i n u x 内核中实现动态 功耗管理，控制p x a 2 5 5 在适当的时候睡眠或唤醒；三是针对外部设备的工作特点， 在嵌入式l i n u x 中实现一个外设的电源管理机制，包括外设的状态监控、睡眠和唤 醒操作以及相应的管理策略。 2 课题工作的预期结果 手持式i f o n e 低功耗设计的预期结果通过两个方面体现：p x a 2 5 5 的低功耗运 行以及外围器件的低功耗运行。对p x a 2 5 5 而言，希望通过优化的处理器供电电路 和对嵌入式l i n u x 内核相应功能的扩充，在系统中实现可变电压技术和动态功耗管 理。包括以下几个方面： ( i ) 嵌入式l i n u x 通过对系统负载的预测，动态调整p x a 2 5 5 的时钟频率和 工作电压，达到既不影响系统的正常使用，又节约畿耗的目的： ( 2 ) 嵌入式l i n l 1 x 通过对用户行为的记录，能够判断系统是否已经满足睡眠 条件，如果满足条件则将系统置于睡眠模式。当用户再次使用i f o n e 时，系统能够 7 华中科技大学硕士学位论文 迅速恢复到睡眠前的状态，不影响用户程序继续执行： ( 3 ) 向用户提供一套应用程序接口，允许用户查询和改变p x a 2 5 5 的工作状 态，在必要时允许由用户制订处理器的低功耗策略。 外围器件低功耗设计的目标是通过操作系统监控各个设备的运行状态，选择适 当的时机将设备休眠或唤醒。设备的运行是由操作系统中的设备驱动控制的，我们 希望通过在嵌入式l i n u x 内核中建立内核线程来监控设备驱动程序的行为，当满足 以下几种情况时将设备置入休眠状态： ( 1 ) 如果一定时间内设备驱动没有对设备进行访问，表明该设备可能暂时不 会被系统使用，内核线程通知设备驱动将该设备置入睡眠状态： ( 2 ) 如果设备驱动声明该设备已经处于空闲状态，内核线程能响应设备的睡 眠请求，通知设备驱动将该设备置入睡眠状态； ( 3 ) 在嵌入式l i n u x 的处理器管理中增加与设备管理的接口，当p x a 2 5 5 进 入睡眠模式前，通知所有的外部设备也进入休眠状态； ( 4 ) 当需要使用处于睡眠状态的设备时，内核线程通知设备驱动唤醒该设备， 并恢复设备睡眠前的现场状态。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 硬件设计 本章介绍了硬件设计的相关内容，硬件设计是实现低功耗管理算法的基础，所 有低功耗算法的实现都依赖于硬件提供的支持。本章首先介绍p x a 2 5 5 处理器的组 成和低功耗特性，然后分析了p x a 2 5 5 处理器的供电电路设计以及外围器件的供电 电路设计方案。 2 1p x a 2 5 5 处理器的体系结构 i n t e lp x a 2 5 5 基于i n t e l x s c a l e 微体系结构，是面向高性能、低功耗的手持设备 而设计的应用处理器。用于诸如：手持通讯设备和高端p d a 等需要提供高性能、高 可靠性以及多功能的嵌入式系统。它可以满足移动手持设备对小尺寸和低功耗的需 求，是目前在高性能手持设备中广泛使用的处理器。i n t e l x s c a l e 微体系结构提供一 种全性能、高性价比、低功耗且基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，支持1 6 位指 令和数字信号处理( d s p ) 扩充【j ”。由于采用了a r m v 5 t e 增强型d s p 指令集，x s c a l e 拥有了单指令多数据( s i m d ) 能力。在此基础上，i n t e l 自行增加了d s p c p 0 ( c o p r o c e s s o r 0 ，协处理器) ，在长达7 级的主指令流水线之外添加专用d s p 流水 线，大大加快了长整数乘除的处理速度。x s c a l e 还采用了先进的分支预测技术，使 用智能控制算法对分支程序流程进行分析和学习，将最可能转向的指令优先填充到 流水线中，提高了流水线的利用率。除了d s pc p 0 以外，x s e a l e 还增加了c p l 4 和c p l 5 两个协处理器。c p l 4 负责功耗和系统工作频率管理，提供了从1 0 0 m h z 到 4 0 0 m h z 的跳频能力，而且全部由软件控制，非常灵活。x s c a l e 还提供了多种工作 模式，能够根据实际需要改变工作状态，节省能耗。 x s c a l e 拥有3 2 k bd a t a c a e h e ( 数据高速缓存) 和3 2 k bl n s t r u c t i o n c a c h e ( 指令高速 缓存) f 34 1 ，其管理工作由c p l 5 的m m u ( 内存管理单元) 完成。m m u 还提供与p c 机 同样的虚拟内存功能，并且页面大小可以有多种选择。 p x a 2 5 5 内部集成了多种外设控制器，包括存储控制器、时钟和电源控制器、中 断控制器、直接存储器访问( d m a ) 控制器和l c d 控制器等，提供了多种外设接口， 包括a c 9 7 、t 2 s 、1 2 c 、u s bc l i e n t 、串行通讯等，几乎涵盖了所有嵌入式产品中使 用的主流接口，这些接e l 可以通过软件设置合适的工作状态，并且进行数据传输时 各个控制器可以自由使用片内d m a 控制器，从而能够大大加快数据传输速度r 使用 _ _ - 。_ _ - _ _ 9 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = 目= 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = t = = = 2 j 一= ： 起来极为方便。p x a 2 5 5 的功能框图 3 5 如图2 1 所示。 图2 1p x a 2 5 5 的功能框图 2 2p x a 2 5 5 处理器的低功耗特性 2 2 1 处理器状态 现今，几乎所有的嵌入式处理器都将处理器的工作模式分为运行模式、空闲模 式和睡眠模式，p x a 2 5 5 也不例外。在空闲模式下，p x a 2 5 5 的时钟停止，处理器的 功耗大大减小。当操作系统发现处理器没有任务需要执行时，可以将处理器置于空 闲模式。硬件中断发生时，处理器被自动唤醒。由于大多数系统会周期性的产生计 时器中断，因此，处理器在一秒钟之内可能几千次地进出空闲模式。值得注意的是： 处理器空闲模式仅影响处理器本身，对系统的其他硬件不产生任何影响。当没有任 务请求以及不要求输出时，可以使其进入省电的睡眠模式1 3 6 1 。 为了节约处理器的能耗，p x a 2 5 5 将处理器工作状态分为t u r b om o d e ( 加速模 式) 、r u n m o d e ( 正常模式) 、i d l em o d e ( 空闲模式) 、s l e e p m o d e ( 睡眠模式) 。其 中t u r b o 和r u n 模式都是系统正常工作模式，他们的区别是处于t u r b o 模式的处理 1 0 华中科技大学硕士学位论文 器内核工作频率与总线频率不一样，而处于r u n 模式时两者则是完全一致的。处理 器的状态变迁如图2 2 所示。 图2 2p x a 2 5 5 状态变迁图 p x a 2 5 5 处理器的各种不同工作模式描述如下： 1 t u r b o m o d e 在该模式下，处理器内核以峰值速度( 4 0 0 m h z ) 运行。此时，处理器应该尽 量不要访问外部存储器，因为外部总线的速度远低于处理器的速度，访问外部存储 器会引起处理器内核的等待，导致了能量的浪费。 2 r u n m o d e 该模式是处理器的正常工作模式。此时，处理器的时钟频率可以在1 0 0 m h z 到 2 0 0 m h z 变化。可以根据任务对处理器性能的需求调整处理器的速度。 3 i d l e m o d e 该模式下，处理器的内核停止工作，但各个外设控制模块仍然正常运行，处理 器进入或退出该模式对应用程序是透明的，一旦有异常发生处理器内核将被自动唤 醒。处于该模式时，处理器的功耗最低能够降到1 0 0 m w 。当系统等待外部设备的响 应时，处理器应该进入该模式以节约能耗。 4 s l e e pm o d e 1 1 华中科技大学硕士学位论文 这是处理器的最低功耗模式。在该模式下，处理器保持外部i o 引脚的状态， 除了时钟模块和电源管理模块以外，处理器内部各模块均停止工作，直到外部中断 或复位信号将处理器从该模式中唤醒。s l e e p 模式可以将系统的工作电流降至最低。 p x a 2 5 5 在不同工作模式之间的转换是通过处理器内部的时钟模块、电源管理 模块和协处理器共同配合实现的。 2 2 2 时钟 为了配合处理器不同的工作模式，p x a 2 5 5 提供了5 个不同的时钟源，分别为处 理器内核和外设控制器提供不同的时钟信号。5 - 5 时钟源分别是：3 2 7 6 8 k h z 振荡器、 3 6 8 6 4 m h z 振荡器、内核相同步逻辑( p l l ) 、9 5 8 5 m h z 固定时钟、1 4 7 4 6 m h z 定时钟。p x a 2 5 5 提供如此丰富的时钟资源，本质上是为了与电源管理模块有效配合， 实现整个系统的低功耗运行。各时钟功能描述【3 5 1 如图2 3 所示。 1 3 2 7 6 8 k h z 振荡器 图2 3p x a 2 5 5 时钟功能描述 华中科技大学硕士学位论文 该振荡器向实时钟( r t c ) 和电源管理模块提供一个低频率、低功耗的时钟源， 它是处理器处于睡眠模式时使用的低功耗时钟源。当系统复位时该时钟源关闭，由 3 6 8 6 4 m h z 振荡器向r t c 和电源管理模块提供时钟，直到时钟控制器将该时钟源开 启，但使用3 6 8 6 4 m h z 振荡器将耗费更多的能量。因此，它是一个可选的时钟源， 当系统运行对功耗不敏感的应用程序时，可以将该时钟源关闭。 2 3 , 6 8 6 4 m h z 振荡器 处理器内部的p l l 频率乘法器、同步串行通讯口、p w m ( 脉宽调制器) 和系 统运行时钟都依赖于该时钟源。当系统上电或复位时，该振荡器也向r t c 和电源管 理模块提供时钟源，直到3 2 7 6 8 k h z 振荡器开始工作。处理器处于睡眠模式时，该 时钟可以停止工作，以节约能耗。 3 内核相同步逻辑( p l l ) 该时钟源向处理器内核、存储控制器、l c d 控制器和d m a 控制器提供时钟源。 它以3 6 8 6 4 m h z 振荡器产生的时钟作为一个基准，然后通过频率乘法器来决定处理 器实际的时钟频率。它通过l 、m 和n 三个参数来设定处理器的时钟频率。通过设 定不同的l 、m 和n 的值，就能使处理器在不同的频率下工作。p x a 2 5 5 的时钟频 率和工作电压组合如表2 副所示。 其中，l 表示存储器的工作速度与3 6 8 6 4 m h z 振荡器时钟速度的比值：m 表示 处理器在正常模式( r u nm o d e ) 时，处理器速度与存储器速度的比值；n 表示处理 器在峰值速度运行时( t u r b om o d e ) ，处理器速度与正常模式下处理器速度的比值。 由表2 1 【3 5 】可以看出，p x a 2 5 5 的总线频率在5 0 m h z 至1 6 6 m h z 分1 0 档可调， 内核频率倍数从1 0 至3 o 分4 档可调。处理器内核时钟频率在1 0 0 至4 0 0 m h z 之 间总共有2 0 种有效配置，同时，与不同时钟频率相对应的工作电压在0 8 5 v 到1 3 v 之间变化。 4 9 5 8 5 m h z 固定时钟 该时钟为处理器内部集成的一部分外设控制器提供时钟源，它向u s b 提供 4 8 m t t z 时钟，向1 2 c 提供3 3 m h z 时钟，向m m c 提供2 0 m h z 时钟。由于各模块所需的 时钟不同，并且缺乏能够满足各种不同时钟需求的乘法器，该时钟向各模块提供的 1 3 华中科技大学硕士学位论文 时钟未必都是它门所需要的标准值，但都在这些外设控制器允许的范围内。 5 1 4 7 4 6 m h z 固定时钟 该时钟为处理器内部集成的一部分外设控制器提供时钟源，它向u a r t 提供 1 4 7 5 m h z 时钟，句a c 9 7 提供1 2 2 8 8 m h z 时钟，向1 2 s 提供1 4 7 4 6 m h z 时钟。 表2 1p x a 2 5 5 工作频率和电压组合 m 取n 取值外部总存储器、s d r a m 最 l 取值 值 1 0 0 1 5 0 2 0 03 0 0线速度l c d 速度大速度 9 9 51 9 9 12 9 8 6 2 71 5 09 9 59 9 5 o 8 5 v 1 0 v 1 i v 1 1 8 02 3 5 93 5 3 9 3 2】 5 9 1 1 8 0 5 9 o 1 0 v 1 i v 1 3 v 1 3 2 7 2 6 5 4 3 9 8 1 3 616 61 3 2 76 6 1 0 v 1 1 v 1 3 v 1 4 7