隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的日益廣泛，如何實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的低功耗開發(fā)已經(jīng)成為嵌入式應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，是近幾年來人們?cè)谇度胧较到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中普遍關(guān)注的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)正被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)性較強(qiáng)的產(chǎn)品中去，而這些產(chǎn)品不是一直有充足的電源供應(yīng)，往往需要電池來供電，因此，設(shè)計(jì)人員需要從每一個(gè)細(xì)節(jié)來考慮降低系統(tǒng)的功率消耗，從各個(gè)方面去實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)的功耗。同時(shí)功耗對(duì)終端設(shè)備的成本及體積大小有顯著影響。

本文結(jié)合FM電臺(tái)手持式測試儀這一實(shí)例，從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、利用內(nèi)核擴(kuò)展接口和產(chǎn)品應(yīng)用特點(diǎn)這四個(gè)方面深入地討論了基于μC/OS-II嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1、嵌入式系統(tǒng)概述

1.1嵌入式系統(tǒng)的定義

根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：嵌入式系統(tǒng)是用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置。

1.2嵌入式操作系統(tǒng)

從20世紀(jì)80年代開始，市場上出現(xiàn)各種各樣的商用嵌入式操作系統(tǒng)，主要有VxWorks、 Psos、Neculeus、QNX、Linux、Windows CE等。

本文使用的μC/OS-II是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它的特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面：公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳細(xì)，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式。

2、研究主題的平臺(tái)簡介

2.1本文硬件平臺(tái)是基于FM電臺(tái)手持式測試儀的一套開發(fā)平臺(tái)。

FM電臺(tái)手持式測試儀由主控板、信號(hào)源板、測量板組成，其結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 本文使用目標(biāo)板的結(jié)構(gòu)框圖

主控板包括嵌入式微控制器（SHARP LH79520）、存儲(chǔ)芯片（NAND FLASH）、CPLD（用于總線擴(kuò)展）、并口轉(zhuǎn)串口芯片（ST16C16554）、直流電源轉(zhuǎn)換芯片（TI公司TPS5430）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片等。主控板主要用于控制信號(hào)源板的操作和測量板的操作。信號(hào)源板主要用于調(diào)制射頻信號(hào)、發(fā)送調(diào)制信號(hào)和音頻信號(hào)，以及接收電臺(tái)發(fā)出的信號(hào)、解調(diào)射頻信號(hào)等。測量板主要用于測量射頻頻率、射頻功率、射頻電平、音頻頻率、音頻電平、失真等電臺(tái)參數(shù)。

2.2研究目標(biāo)

本文主要研究嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II在FM電臺(tái)手持式測試儀中的應(yīng)用，從硬件、軟件、操作系統(tǒng)和產(chǎn)品應(yīng)用特點(diǎn)這四個(gè)層面上，討論如何降低系統(tǒng)的功耗。FM電臺(tái)手持式測試儀的體系結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 FM電臺(tái)手持式測試儀的體系結(jié)構(gòu)

3、低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，功耗問題是近幾年來人們?cè)谇度胧较到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中普遍關(guān)注的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，并非是某一個(gè)方面、某一個(gè)角度的解決方案，而應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)考慮功耗的節(jié)省，是一個(gè)硬件設(shè)計(jì)與軟件控制相互結(jié)合的協(xié)調(diào)過程。

本文將依次從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、利用μC/OS-II給出的內(nèi)核擴(kuò)展接口和產(chǎn)品應(yīng)用特點(diǎn)這四個(gè)方面系統(tǒng)地討論低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.2硬件低功耗設(shè)計(jì)

3.2.1低功耗設(shè)計(jì)的器件

選擇低功耗的電子器件可以從根本上降低整個(gè)硬件系統(tǒng)的功耗。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，消耗大量的功率，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用低功耗的處理器；另外，選擇低功耗的通信收發(fā)器（對(duì)于通信應(yīng)用系統(tǒng)）、低功耗的外圍電路。

本文中使用的微控制器是夏普公司的LH79520。LH79520有五種工作模式，分別是：運(yùn)行模式、休眠模式、睡眠模式、停止模式1、停止模式2。處于不同的工作模式下，微控制器消耗的功率不同，處于運(yùn)行模式的微控制器消耗的功率最多，處于停止模式2的微控制器消耗的功率最少。

3.2.2低功耗電路

目前的半導(dǎo)體工藝主要有TTL工藝和CMOS工藝，CMOS工藝具有很低的功耗，在電路設(shè)計(jì)上盡量選用，使用CMOS系列電路時(shí)，其不用的輸入端不要懸空，因?yàn)閼铱盏妮斎攵丝赡艽嬖诘母袘?yīng)信號(hào)造成高低電平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器件的功耗很大，盡量采用輸出為高的原則 。同時(shí)盡量使用集成度高的器件，減少電路中使用的元件的個(gè)數(shù)，從而減少整機(jī)的功耗。

3.2.3分區(qū)/分時(shí)供電技術(shù)

一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的所有組成部分并非時(shí)刻在工作，基于此，可采用分時(shí)/分區(qū)供電技術(shù)。原理是利用“開關(guān)”控制電源供電單元，在某一部分電路處于休眠狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉其供電電源，僅保留工作部分的電源。

本文使用的硬件平臺(tái)，使用了TI公司的直流電源轉(zhuǎn)換芯片TPS5430，給其他輔助板和主控板上的外設(shè)提供電源。

3.2.4降低處理器的時(shí)鐘頻率

處理器的工作頻率和功耗的關(guān)系很大，頻率越高，功耗越大?？梢詣?dòng)態(tài)改變處理器的時(shí)鐘以降低系統(tǒng)的總功耗。微控制器空閑時(shí)降低時(shí)鐘頻率；處于工作狀態(tài)時(shí)，提高時(shí)鐘頻率，全速運(yùn)行處理事務(wù)。

本文使用的硬件平臺(tái)的控制板所使用的時(shí)鐘，使用了外部晶振和鎖相環(huán)技術(shù)，可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘。

3.3軟件部分的設(shè)計(jì)

至今，還沒有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷一個(gè)軟件的低功耗特性，但是，設(shè)計(jì)者仍需盡量將應(yīng)用的低功耗特性反映在軟件中，以避免那些“看不見”的功耗損失。

3.3.1中斷與查詢

一個(gè)程序使用中斷方式還是查詢方式對(duì)于一些簡單的應(yīng)用并不那么重要，但在其低功耗特性上卻相去甚遠(yuǎn)。使用中斷方式，微控制器可以什么都不做，甚至可以進(jìn)入等待模式或停止模式；而查詢方式下，微控制器必須不停地訪問I/O寄存器，這會(huì)帶來很多額外的功耗。

本文是通過中斷通信方式與片上的兩個(gè)串口資源進(jìn)行通信，而非采用查詢的方式，減少了串口占用處理器的工作時(shí)間，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。

3.3.2宏的使用

讀RAM會(huì)比讀Flash帶來更大的功耗，正是因?yàn)槿绱耍凸男阅芡怀龅?a target="_blank">ARM微控制器在設(shè)計(jì)上僅允許一次子程序調(diào)用。因?yàn)槲⒖刂破鬟M(jìn)入子程序時(shí)，會(huì)首先將當(dāng)前微控制器寄存器推入堆棧（RAM），在離開時(shí)又將微控制器寄存器彈出堆棧，這樣至少帶來兩次對(duì)RAM的操作。因此，考慮用宏定義來代替子程序調(diào)用。調(diào)用一個(gè)子程序還是一個(gè)宏在程序?qū)懛ㄉ喜]有什么不同，但宏會(huì)在編譯時(shí)展開，微控制器只是順序執(zhí)行指令，避免了調(diào)用子程序。這實(shí)際上是一種以空間換時(shí)間的思想。這樣做，不僅提高了程序的執(zhí)行效率，同時(shí)可以減少系統(tǒng)的功耗。