采用ARM9微處理器PXA270芯片實現(xiàn)低功耗的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

引言

綠色環(huán)保節(jié)能是全球化的熱潮，而嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動性較強(qiáng)的產(chǎn)品，低功耗設(shè)計不僅是綠色環(huán)保的要求，也是嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)體積和質(zhì)量的約束。隨著市場對嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)在體積和性能方面要求的不斷提升，小體積、高性能與有限的電池能量之間的矛盾曰益突出，系統(tǒng)低功耗設(shè)計是解決這一矛盾的有效手段。基于ARM的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)在保證系統(tǒng)性能的情況下通過硬件和軟件兩方面低功耗的設(shè)計來最大限度地降低嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的功耗。

1 系統(tǒng)組成

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)采用ARM9微處理器PXA270為核心，外圍擴(kuò)展了許多標(biāo)準(zhǔn)的IO接口來實現(xiàn)系統(tǒng)功能，如顯示、數(shù)據(jù)采集、定位、通信等功能。系統(tǒng)主要由處理器子系統(tǒng)、存儲器子系統(tǒng)、電源管理子系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航定位子系統(tǒng)、LCD觸摸屏子系統(tǒng)、矩形鍵盤和擴(kuò)展總線接口子系統(tǒng)等組成，擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)IO接口包括USB接口、串口、以太網(wǎng)接口、CAN接口、音頻接口等，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)不能一直有充足的電源供應(yīng)，需用電池來供電，所以設(shè)計過程中需要從各個細(xì)節(jié)考慮降低功率消耗，從而延長電池使用時間。如圖1所示，系統(tǒng)隨著實現(xiàn)功能的增多相應(yīng)的功耗也會增大，根據(jù)系統(tǒng)組成主要的功耗在于微處理器、LCD觸摸屏、集成電路、電阻和有源器件等，設(shè)計過程中需要從全局來考慮功耗的設(shè)計，下面將詳細(xì)描述功耗產(chǎn)生的原因和低功耗的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 功耗產(chǎn)生的原因

如圖1所示的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)硬件架構(gòu)中，功耗主要來源于以下幾個方面：微處理器、LCD觸摸屏、集成電路、電阻和有源器件等。其中微處理器是系統(tǒng)功率消耗的主要來源，它幾乎占據(jù)了除LCD觸摸屏以外的整個系統(tǒng)功耗的一半以上，所以選擇低功耗的微處理器對于系統(tǒng)的功耗大小有舉足輕重的影響。LCD觸摸屏是嵌入式系統(tǒng)中功耗的另一個主要來源。除了微處理器和LCD觸摸屏之外，集成電路是系統(tǒng)組成的主要器件，對應(yīng)的電路中只要有電流流過，就會產(chǎn)生功耗。集成電路的功耗主要包括開關(guān)功耗、靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗、短路功耗和漏電功耗，對于目前大多數(shù)采用CMOS工藝的集成電路來說，主要的功耗是動態(tài)功耗，是指電路翻轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的功耗，它是由于電路翻轉(zhuǎn)時存在跳變沿，在翻轉(zhuǎn)的瞬間，電流較大，所以動態(tài)功耗較大。除此之外，電阻和有源器件也是系統(tǒng)中功耗產(chǎn)生的一個原因，尤其在有源器件的狀態(tài)變化時產(chǎn)生較大的電流和電壓，引起較大的功率消耗。另外，CMOS電路中最大的功耗來自于內(nèi)部和外部的電容充放電產(chǎn)生的功耗。

據(jù)功耗產(chǎn)生的原因，結(jié)合實際的應(yīng)用環(huán)境，本設(shè)計的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)通過硬件和軟件的低功耗設(shè)計來實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，下面詳細(xì)描述。

3 硬件的低功耗設(shè)計與實現(xiàn)

3．1 低功耗的微處理器選擇

如前所述，嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的微處理器是系統(tǒng)功耗的主要來源，所以在選擇微處理器即CPU時，不僅要注意微處理器的性能優(yōu)劣（比如時鐘頻率）及提供的接口和功能多少，對于嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)來說也要注重微處理器的功耗特性。微處理器的功耗包括內(nèi)核消耗功耗和外部接口消耗功耗，內(nèi)核消耗功耗主要體現(xiàn)在供電電壓和時鐘頻率的高低；外部接口消耗功耗體現(xiàn)在專門I／O控制器的功耗。

在本系統(tǒng)的設(shè)計中通過對微處理器的性能和功耗的比較和衡量，我們選擇了低功耗的微處理器PXA270，PXA270的主頻可以設(shè)置在104MHz到624MHz之間；PXA270嵌入式處理器在個人的互聯(lián)網(wǎng)客戶端架構(gòu)處理器（PCA）中集成無線MMX技術(shù)，使得它擁有高性能、低功耗的多媒體加速能力，能夠很好地支持MPEG4和MP3解碼；同時加入了Intel Speed Step動態(tài)電源管理技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低小型嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的功耗。

3．2 接口電路的低功耗設(shè)計

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的接口電路的低功耗設(shè)計主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）選擇靜態(tài)電流較低的外圍芯片，設(shè)計中除考慮系統(tǒng)的功能實現(xiàn)以外，在外圍接口芯片如USB接口、串口、以太網(wǎng)接口、CAN接口、音頻接口的設(shè)計芯片都盡量選擇靜態(tài)電流較低的芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

（2）恰當(dāng)?shù)剡x擇上拉電阻／下拉電阻。對于嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的接口電路設(shè)計，許多信號管腳都涉及上拉電阻或下拉電阻，在設(shè)計中考慮能正常驅(qū)動后級信號的情況下，上拉電阻或下拉電阻盡量選擇較大的阻值。如同樣是在3．3V的系統(tǒng)中用10kΩ的上拉電阻比用4．7kΩ的上拉電阻，當(dāng)輸出為低時，每只腳上的電流消耗少0．37mA，若系統(tǒng)設(shè)計中存在100個這樣的管腳，就減少了37mA的電流。系統(tǒng)的接口電路中多數(shù)情況為低的信號設(shè)計上用下拉電阻來節(jié)省功耗。

（3）懸空腳盡量接地或上拉到VCC。系統(tǒng)中的集成電路基本都是CMOS器件，CMOS器件由于其懸空的輸入端的阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會導(dǎo)致輸入端信號電平隨機(jī)變化，導(dǎo)致CPU在休眠時不斷地被喚醒，從而無法進(jìn)入休眠狀態(tài)或出現(xiàn)其他莫名其妙的故障，所以設(shè)計上未使用的懸空腳要盡量接地或上拉到VCC，減少不必要的功耗。

（4）慎重選擇Buffer。在以往的設(shè)計中，設(shè)計人員習(xí)慣用Buffer來增加電路的驅(qū)動能力，這些Buffer肯定會導(dǎo)致更多的功耗。在系統(tǒng)設(shè)計中，仔細(xì)檢查每個芯片的最大輸出電流IOH和IOL是否足以驅(qū)動下級芯片，通過選取合適的前后級芯片來避免不必要的Buffer，來盡量減少系統(tǒng)的功率消耗。

3．3 電源供給電路的低功耗設(shè)計

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的電源供給電路需考慮合適的電壓變換結(jié)構(gòu)。一般來說，電壓變換結(jié)構(gòu)包括線性穩(wěn)壓和DC／DC變換電路兩種主要方式，其中線性穩(wěn)壓的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其致命弱點就是效率低、功耗高。其效率完全取決于輸出電壓大小。DC／DC變換電路的特點是效率高、升降壓靈活，但缺點是電路相對復(fù)雜，干擾較大。一般常見的DC／DC變換電路由Boost和Buck兩種電路，其中Boost電路用于升壓，Buck電路用于降壓。

圖2所示是嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)采用的12V轉(zhuǎn)換到5V的DC／DC變換電路圖，其控制芯片采用國家半導(dǎo)體（NS）的LM2576，實際是采用Buck電路，其MOSFET和相關(guān)的控制電路位于芯片內(nèi)部。

圖3所示為12V到5V轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率圖，如圖所示當(dāng)輸入為12V，輸出為5V時，轉(zhuǎn)換效率約為77％（ILOAD=3A），差不多為線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率的一倍。

在嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的電源部分設(shè)計選擇了DC／DC轉(zhuǎn)換電路（LM7256S）將12V轉(zhuǎn)換為5V，12V轉(zhuǎn)換為3．3V供系統(tǒng)使用，這種處理方式有效的節(jié)約了能源，降低了整機(jī)的功耗。

4 軟件的低功耗設(shè)計與實現(xiàn)

4．1 動態(tài)設(shè)置時鐘頻率

對于已經(jīng)搭建好的硬件系統(tǒng)來說，系統(tǒng)已經(jīng)定型，從硬件設(shè)計上已不能做更多的考慮，這時我們只能從軟件入手來實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計。而對于軟件的低功耗設(shè)計最切實可行的就是實現(xiàn)動態(tài)電源管理，所謂動態(tài)的電源管理就是在系統(tǒng)運行期間通過對系統(tǒng)的時鐘或電壓的動態(tài)控制來達(dá)到節(jié)省功率的目的，這種動態(tài)控制是與系統(tǒng)的運行狀態(tài)密切相關(guān)的。

在嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)中，軟件設(shè)計上動態(tài)地通過設(shè)置時鐘頻率來降低系統(tǒng)的功耗，換句話說就是為系統(tǒng)選取合適的工作模式。系統(tǒng)采用的微處理器是ARM處理器PX270，PXA270處理器的內(nèi)部的各種頻率都是通過外部晶振頻率經(jīng)內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）倍頻后產(chǎn)生的，可通過內(nèi)部的寄存器設(shè)置各種工作頻率來控制功耗。PXA270處理器共有四種工作模式：正常模式、空閑模式、休眠模式、待命模式，各種模式的功耗如表1所示。

由表1可見，PXA270在全速運行的時候比在空閑或者休眠的時候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運行模式遠(yuǎn)比空閑、休眠模式少占用時間。在嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)中，系統(tǒng)在全速運行的時候遠(yuǎn)比空閑的時候少，所以設(shè)計上可通過設(shè)置使PXA270盡可能工作在空閑狀態(tài)，然后通過相應(yīng)的中斷喚醒PXA270恢復(fù)到正常工作模式，處理響應(yīng)的事件，然后再進(jìn)入空閑模式。這樣的軟件設(shè)計方式可盡可能地降低系統(tǒng)的功耗。

4．2 動態(tài)控制外設(shè)控制寄存器

PXA270處理器提供的接口控制器很多，如ADC、I2C、I2S、LCD、Flash、Timer、UART、SPI、USB等，實際應(yīng)用中只使用了部分功能，ADC、I2C、I2S和SPI都沒有用到，為節(jié)省系統(tǒng)功耗，需動態(tài)地關(guān)注這些接口控制器的狀態(tài)，及時關(guān)閉不需要的外設(shè)控制器，因為若不將不用的接口控制器關(guān)閉，即使它們沒有處于工作狀態(tài)，仍然會消耗電流。軟件通過CLKCON寄存器的設(shè)置，關(guān)閉不需要的功能模塊，經(jīng)測量可節(jié)省2mA的電流。另外，動態(tài)關(guān)閉一些仍然需要的外設(shè)控制器來進(jìn)一步節(jié)省能量。

如在空閑模式下，PXA270內(nèi)核停止運行，我們還可以進(jìn)一步關(guān)閉一些其他的外設(shè)控制器，如USB、SDI、FLASH等，只要保證喚醒PXA270的

I／O控制器正常工作即可，如通過UART喚醒，則UART控制器不能被關(guān)閉。等到PXA270被喚醒后，再將USB、SDI、Flash等控制器打開。

上述的軟件低功耗設(shè)計的兩種方式，一種是通過改變了系統(tǒng)的時鐘頻率，另一種是通過控制外設(shè)控制器的開關(guān)來達(dá)到節(jié)約能量的目的。除此之外，同時可通過動態(tài)改變處理器的電壓和頻率來進(jìn)一步節(jié)省功率，我們選擇的PXA270微處理器就加入了Intel Speed Step動態(tài)電源管理技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降低嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的功耗。

5 結(jié)束語

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，本身就是理論和設(shè)計實踐相結(jié)和的問題，要降低功耗，系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)都不容忽視，這也是一個不斷優(yōu)化的過程。本文的設(shè)計中綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài)，對各種細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的斟酌和分析，取得了較為滿意的效果，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。該設(shè)計已在產(chǎn)品應(yīng)用，性能穩(wěn)定，功耗較低。