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电源工作状态

1.系统工作状态几乎所有的ARM处理器设计都有空闲模式。在空闲模式状态下,处理器的时钟停止,以减少处理器在空闲状态下的功耗。当嵌入式操作系统发现处理器当前没有可执行的任务时,便将处理器置于空闲状态。当系统发生中断时,处理器从空闲状态被唤醒。大多数系统都有操作系统计时器中断,因此,处理器在一秒钟之内可能几千次地进出空闲状态。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。系

1. 系统工作状态

几乎所有的ARM处理器设计都有空闲模式。在空闲模式状态下,处理器的时钟停止,以减少处理器在空闲状态下的功耗。当嵌入式操作系统发现处理器当前没有可执行的任务时,便将处理器置于空闲状态。当系统发生中断时,处理器从空闲状态被唤醒。大多数系统都有操作系统计时器中断,因此,处理器在一秒钟之内可能几千次地进出空闲状态。

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。系统的各状态切换如图1所示。

图1 系统的状态切换

图1显示了基本的电源管理和工作状态,分别如下所示。

a.系统挂起模式

在系统挂起模式(也称睡眠模式)下,只有以下部件继续工作:SDRAM、处理器功耗管理电路、唤醒电路。

因为SDRAM里面的内容受到保护,系统的运行状态可以存入SDRAM里保存。以下是进入

睡眠模式的典型步骤。

(1)用户指定、超时、低电量状态等因素启动了挂起模式。

(2)操作系统调用驱动程序把外设调整到节电状态。

(3)处理器未保存的寄存器存入SDRAM。

(4)SDRAM进入自刷新模式。

(5)处理器进入挂起模式。在该模式下,处理器的时钟停止,系统中各供电模块关闭。

重新恢复的次序与挂起次序相反,由处理器的唤醒信号或处理器内部唤醒信号源(如实时计时警报)启动。系统执行挂起模式是个庞大的任务,必须了解如何将系统中所有的外设切换到节电状态。

b.系统关闭状态

对ARM系统来说,挂起状态虽然己大大减小了功耗,但系统在挂起状态下也消耗能量,因而需要一种关闭模式,像系统没有电源一样。这种模式在电池耗尽时可以有效地保护电池不被损坏;同时可使系统在安装有电池的情况下进行传输和储存。

c.软启动

大多数系统需要一种软启动功能,软启动时,处理器被复位,但是SDRAM里面的内容仍旧保持。目前,大部分便携式系统都选择在SDRAM中存储用户文件,这是一项非常有用的功能。

2.外设耗电者虑

有许多外设硬件需要对功耗管理做特殊考虑。

a.显示及背光

在ARM系统中,显示设备的耗电最多。目前,有许多类型的显示设备,但大多数现代产品都选用反射式薄膜晶体管(TFT)显示加背光灯来作为显示设备。虽然在光线充足的情况下可以看清屏幕上的内容,但是考虑到阅读的舒适度,还是需要把背光灯打开。

LED背光灯耗电较少,但是有许多其他缺点。若在短时间内没有任何输入,系统一般都会把背光关闭。在许多应用里(如音乐播放器),关闭显示器是可以接受的。

b.低功耗SDRAM

许多ARM系统都使用低功耗的SDRAM,工作电压为1.8~2.5V(而不是通常的3.3V)。如表所示为64MB RAM存储器分别在3.3V和2.5V电压下的耗电比较。计算所用的数据来自Micron 256MB SDRAM存储器产品的数据手册。

表 不同供电下的功耗

在运行时(100%整循环和挂起模式时)用到2片SDRAM芯片,表中的数据是手册中数据的两倍。对于表12-1中SDRAM在不同工作电压下的功耗比较,用1.8V代替3.3V,将大大延长便携式系统的运行时间和挂起时间。

SDRAM支持多种低功耗状态。当系统处于挂起状态时,SDRAM将进入自刷新状态。在该状态下,除了CKE,所有对SDRAM的信号都无效,SDRAM自己管理自身的刷新。当系统处于运行或空闲状态时,SDRAM也可进入电源关闭状态。

c.音频

应选择具有低功耗模式的音频元件,否则,在系统挂起模式下要切断该元件的电源。另外,应注意避免在音频电路的功耗模式切换中发出刺耳的噪声。

d.备用电源

如果系统的主供电电池是可移动的,则还需要设计某种类型的备用电源。备用电源能在挂起状态下进行主电池替换时对系统继续供电。多数系统使用一个小电池做备用电源,以满足系统挂起状态下的供电需要。

e.紧急情况

一般硬件需要能够支持一些紧急情况。最重要的事件是电池缺电,在此状态下,操作系统必须被告知系统电量低,然后操作系统无条件将系统转入挂起状态。另一种危急事件是电池耗尽,此时电池的电能还没有真的全部耗尽,但为了保护电池,电池将不再对外放电。这种事件由少数极低功耗硬件处理,硬件电路监测到这种状态后,将把主电池从系统中断开。需要注意的是,断电后所有SDRAM存储器里的内容都将丢失。

f.漏电问题

漏电问题可能是当系统进入挂起状态后的一大问题。当集成电路断电后,若某个输入信号仍维持为高电平,就会产生漏电问题。

如图2所示,集成电路在输入端有一个保护二极管电流将经过保护二极管直接进入集成电路的电源引脚。这将导致电源电压不可预知地上升,同时在系统应该使用极小能量的情况下浪费了大量的电能。解决这个问题的方法是:在集成电路断电前,确定每个输入信号(有保护二极管的)的电平为低,在挂起状态下不能驱动转为低信号的则必须加缓冲器。

图2 漏电情况

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