鐵路交通信息系統(tǒng)PDA的低功耗設計

　　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計。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候都一直忙于運行，尤其是PDA來產(chǎn)品。如今的嵌入式處理器(包括EP7211)一般都為應用開發(fā)提供了三種工作狀態(tài)：運行、空閑和休眠。大量的實際使用表明，更多情況下，大部分時間里系統(tǒng)是處在休眠狀態(tài)的，一旦獲得工作信號，會迅速切換到工作狀態(tài)。當系統(tǒng)在工作狀態(tài)下一定時間內(nèi)沒有獲得下一次需要處理的信號時，則應該自動切空閑或者休眠狀態(tài)。因為在不同的工作狀態(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 運行狀態(tài) 18 20 整個系統(tǒng)處于激活狀態(tài)，正在執(zhí)行程序 運行狀態(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，我們應該通過預測系統(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行處理器狀態(tài)切換，中間要留有一定的穩(wěn)定時間間隔。 XGW軟件開發(fā)平臺采用事件消息驅動機制。消息采用查詢方式，能夠實時響應外部中斷。在消息循環(huán)過程中，系統(tǒng)需要查詢消息隊列：當有消息出隊時，處理器在運行狀態(tài)處理這個消息所對應的事件;如果一這時間間隔(如2s)消息隊列一直是空，系統(tǒng)預測在最近相當長的時間內(nèi)不會有事件產(chǎn)生，軟件編程措施把處理器從運行狀態(tài)切到空閑狀態(tài);如果系統(tǒng)在更長的時間內(nèi)(如20s)沒有事件產(chǎn)生，則系統(tǒng)預測用戶需要自動軟關機，此時處理器進入休眠狀態(tài)。在休眠狀態(tài)下，處理器能夠響應實時時鐘匹配中斷、傳呼接收中斷以及復位按鍵;一旦系統(tǒng)捕獲到這類信號，則迅速轉入到正常工作狀態(tài)。處理器在運行狀態(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，并不能達到降低系統(tǒng)功耗的目的。 為了縮短處理器從空閑或者運行狀態(tài)切換到休眠狀態(tài)的時間，系統(tǒng)同時提供了用戶手動軟關機措施，即通過觸筆直接點擊屏幕某一指定區(qū)域來實現(xiàn)。 本PDA系統(tǒng)中，ARM7處理器三種工作狀態(tài)的轉換如圖3所示。

　　圖3中各數(shù)字含義如表3所列。

　　表3 序 號狀態(tài)轉換條件 1、3 系統(tǒng)20s內(nèi)一直不能捕捉到消息或者人為點擊屏幕某一指定區(qū)域 2 實時時鐘匹配中斷、傳呼中斷、按鍵喚醒 4 運行狀態(tài)下系統(tǒng)2s內(nèi)一直不能捕捉到消息 5 產(chǎn)生中斷信號、捕捉到消息事件。

　　(2)軟件算法的選擇 在應用程序編程實現(xiàn)過程中，求解同一個問題，可以有許多不同的算法。評價一個算法好壞的常用參數(shù)是算法時間復雜度、算法空間復雜度和算法的易理解編碼和調(diào)試性。算法時間復雜度定義為算法的時間耗費，即算法所求解問題規(guī)模(求解問題的輸入量)n的函數(shù)。時間復雜度一般用O(n)來表示，當n達到一定規(guī)模時，時間復雜度越小，執(zhí)行效率越高，招待時間越短，系統(tǒng)功耗越低。算法空間復雜度定義為該算法所耗費的存儲空間，它也是問題規(guī)模n的函數(shù)。 我們總是希望選用一個所占存儲空間小、運行時間短、其它性能也好的算法。然而實際上很難做到十全十美，原因是上述要求有時相互抵觸， 如節(jié)約算法執(zhí)行時間需要以犧牲一定的存儲空間為代價，反之亦然。因此，我們只能根據(jù)具體情況有所側重。在本PDA系統(tǒng)中具體硬件配置時，CPU工作頻率不高，存儲空間運行不大;但應用程序數(shù)據(jù)量大，而且某些應用程序如辭典互譯、時刻表檢索時數(shù)據(jù)運算量也大。 如要在本PDA系統(tǒng)中實現(xiàn)英漢辭典互譯，首先會想到采用順序檢索法。這種算法對用戶輸入詞匯排列順序沒有要求，編程實現(xiàn)和理解起來都比較簡單，其算法時間復雜度為O(n)=n。當n值較小時，這是可以允許的;但是當系統(tǒng)詞匯量近10 000個時，算法檢索效率不高，表現(xiàn)為當詞語位置偏后時系統(tǒng)檢索延遲過大。為了提高檢索效率，滿足一定的系統(tǒng)反應實時性要求，我們采用了有序表二分搜索算法，其算法時間復雜度O(n)=log2n。假設n=16 384=2 14已經(jīng)超出系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)模(10 000詞左右)。二分檢索所需要的最壞檢索次數(shù)是14次;但是對于順序檢索而言，在最壞查找的情況下，檢索次數(shù)是16 384次，故效率提高了16 284/14=1170倍。這個數(shù)目是相當可觀的，而且，即使系統(tǒng)數(shù)據(jù)規(guī)模進一步擴大，二分檢索表現(xiàn)出來的所增加的檢索次數(shù)也是很小的。辭典互譯實現(xiàn)二分檢索所要做的附加工作，就是將原來無序的辭典數(shù)據(jù)文件轉換成有序的辭典數(shù)據(jù)文件。不過，這個轉換工作可以在PC機上完成從而減輕本嵌入式系統(tǒng)的負荷。辭典數(shù)據(jù)排序和檢索過程中英漢辭典依據(jù)ASCII碼進行，漢英辭典根據(jù)漢字的區(qū)位碼進行。本PDA系統(tǒng)的民航時刻表、鐵路時刻表等應用模塊，也都涉及到了算法選擇問題。

　　(3)數(shù)據(jù)調(diào)度 在許多應用程序中，存儲器訪問是功耗的主要部分。有資料表明，內(nèi)存?zhèn)鬏斒瞧駷橹笴PU完成的操作中代價最高的：一次內(nèi)存?zhèn)鬏斚牡哪芰渴且淮渭臃ㄟ\算的33倍多。優(yōu)化能量消耗的最大收益之一，來源于合理組織內(nèi)存中的數(shù)據(jù)和指令：一般措施是盡量做到數(shù)據(jù)的寄存器訪問和緩存訪問。 隨著存儲技術理論的發(fā)展和工藝水平的提高，現(xiàn)在存儲器體系結構一般都是三級，而且支持虛擬存儲技術，如圖4所示。

　　處理器進行數(shù)據(jù)訪問時，離CPU越近的地方，數(shù)據(jù)存取速度越快，功耗越低。本PDA系統(tǒng)中，由于Flash存儲器(作為數(shù)據(jù)存儲器件)寫操作的特殊性(以扇區(qū)大小為單位、執(zhí)行時間長、執(zhí)行功耗大)，要求盡量少地進行。基于這種策略，本PDA系統(tǒng)在數(shù)據(jù)安排方面采取了以下一些優(yōu)化措施： ①LCD幀緩存的安排。EP7211內(nèi)置38 400字節(jié)大小的RAM空間，LCD分辨率是320%26;#215;240,每像素4級灰度用2比特位表示，故顯存大小為320%26;#215;240%26;#215;2/8=19 200字節(jié)，被安排在內(nèi)置RAM空間的前19 200字節(jié)。這樣安排，加快了顯示速度，減少了處理器訪問片外SRAM空間。 ②個人傳呼信息、公共傳呼信息接收頻度大，不需要永久存儲;傳呼接收過程需要開臂兩塊緩沖區(qū)，這些空間都被安排在內(nèi)部RAM后19 200字節(jié)，其目的是減少了CPu對片外SRAM的訪問。 ③部分系統(tǒng)信息資源，如字庫信息，在系統(tǒng)啟動后直接從Flash存儲區(qū)拷貝到固定位置的SRAM區(qū)，這樣字符輸出時直接從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)，而不需要訪問Flash。 ④為減少Flash寫操作執(zhí)行次數(shù)，在電話簿、記事本、日程以及系統(tǒng)設定等編輯修改后，首先改動的信息是在內(nèi)存中直接保存，等到用戶是退出當前整個應用模塊時，才進行一個性Flash寫操作。 ⑤在進行復雜數(shù)據(jù)查找過程中，為減少數(shù)據(jù)訪問量，可以通過建立若干級索引表方式加快數(shù)據(jù)檢索速度。如在辭典文件的詞匯排序過程中，同時建立了每個單詞位置的數(shù)據(jù)索引，而且作為索引文件定改Flash。在查找過程中，索引項的存在能夠減少檢索次數(shù)，從而快速確定單詞起始位置以及整個單詞項目長度，供顯示輸出。不過在增加索引時，也會增加一定的空間復雜度。 另外，系統(tǒng)還可以通過代碼壓縮減少總線上的傳輸量;編譯器優(yōu)化，消除冗余代碼;消除編程中的遞歸過程調(diào)用、減少函數(shù)調(diào)用的開銷;有效使用寄存器等措施來降低系統(tǒng)功耗。

　　4 低功耗設計綜合闡述

　　以上分別從硬件和軟件兩方面闡述了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中低功耗設計的一些原則及在本產(chǎn)品中的某些具體體現(xiàn)。本PDA產(chǎn)品除了提代外接電源供電電路，同時還提供內(nèi)置可充鎳氫雙電池供電系統(tǒng)。設單節(jié)電池容量是500mA，則系統(tǒng)待機時間是1000小時/8=125小時，基本上可以滿足實際應用的需要。