基于Intel PXA250处理器工作状态的功耗仿真模型及分析

　　引言

　　嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化，类似于基本输入输出系统(BIOS)的工作方式。嵌入式系统具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。目前复杂的嵌入式系统设备一般具有以下几个特征：①使用了时钟频率非常高的处理器，②处理器集成了大量的外围设备控制器，③系统平台支持多种外设，④移植的操作系统上运行许多的应用程序。

　　这就对嵌入式微处理器的计算能力要求也越来越高。而对微处理器的计算能力要求越高，意味着微处理器消耗的功耗在整个系统消耗的比重增加，因此有必要对微处理器的功耗情况进行专门的分析。

　　本文在INTEL PXA250ADSUM/D芯片的指令集模拟器SimIt-ARM的基础添加了一个功耗分析模块，使其支持对INTEL PXA250进行功耗分析。使我们通过软件模拟，就可以得到微处理器工作状态转换引起的功耗变化情况。

　　分析

　　一些嵌入式系统，比如PDA和智能电话等， 在工作过程中，处理器并不是任何时候都一直处于工作状态 。比如INTEL PXA250处理器就提供了四种工作方式：turbo，运行，空闲和休眠。而且大量的实际表明，很多情况下，在大部分时间里系统是处于休眠状态的，一旦获得工作信号，会迅速切换到工作状态。当系统在工作状态下一定时间内没有获得下一次需要处理的信号时，则自动切换到空闲或休眠状态。因为在不同工作状态，处理器内部工作电路有所变化，功耗差别极大。下表显示了INTEL PXA250芯片在不同工作状态下的功耗情况，其中的数据来自基于INTEL PXA250芯片的一个PDA系统，为了保证系统的稳定性，在本PDA系统中，对普通用户屏蔽了turbo工作方式：

　　表 1

　　注：Iccc : Vcc Current Iccp : Vccq Current

　　Vcc : positive supply for internal logic

　　Vccq : positive supply for all CMOS I/O except memory bus and PCMCIA pins

　　从上面可以看出，处理器在不同的工作状态下，其功耗情况是不同 的，运行状态是空闲状态的2.8倍，而休眠状态下更是只有0.1485mW，相对于运行状态的178mW和空闲状态下的63mW，几乎可以忽略不计。因此，在不影响系统工作的情况下，尽量使处理器工作在空闲状态和休眠状态下，可以降低整个系统的功耗。因此我们应该通过预测系统执行过程的措施来切换处理器的工作状态。

　　我们在PDA系统上移植了嵌入式linux操作系统，支持事件消息驱动机制。消息采用查询方式，能够实时相应外部中断。在消息循环中，系统不断查询消息队列：当有消息出队时，处理器在运行状态处理这个消息对应的事件;如果一定时间内，消息队列处于空的状态，系统会预测在最近的一段时间内，不会有事件产生，把处理器状态从运行状态切换到空闲状态;如果系统在更长时间内没有事件产生，则系统预测用户需要自动软关机，处理器进入休眠状态。在休眠状态，系统能响应实时时钟匹配中断和复位按键等，一旦捕获到这类信号，处理器迅速转入运行状态。