嵌入式GIS系統(tǒng)軟件的低功耗設(shè)計(jì)
引言
嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和社會(huì)需求的推動(dòng)使得gis技術(shù)逐漸應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中,構(gòu)成嵌入式gis。嵌入式gis成了當(dāng)前gis發(fā)展的一個(gè)熱門(mén)的重要研究方向。它具有數(shù)據(jù)采集、地圖瀏覽、信息檢索、路徑分析和地形分析等功能,目前已經(jīng)在城市智能交通系統(tǒng)（its）、物流配送系統(tǒng)、車(chē)輛導(dǎo)航及監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字化武器裝備等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。嵌入式gis系統(tǒng)設(shè)計(jì)除要求體積小、質(zhì)量輕和性能好壞,低功耗也成為重要指標(biāo),尤其是采用電池供電系統(tǒng)的便攜式產(chǎn)品,低功耗設(shè)計(jì)還起到節(jié)能環(huán)保作用,低功耗設(shè)計(jì)一般包括硬件低功耗設(shè)計(jì)和軟件低功耗設(shè)計(jì)兩大方面。硬件低功耗設(shè)計(jì)一般選用滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求的低功耗芯片及其電路模塊,并支持單源、低電壓和分區(qū)電源供電方案。除硬件低功耗設(shè)計(jì)外,軟件運(yùn)行控制在一定程度上對(duì)系統(tǒng)功耗起著至關(guān)重要的作用。下面基于嵌入式gis系統(tǒng)自身特性,采用全動(dòng)態(tài)切換處理工作模式、數(shù)據(jù)調(diào)度、處理坐標(biāo)數(shù)據(jù)、繪制地圖符號(hào)和優(yōu)化關(guān)鍵算法等軟件方法,描述如何降低嵌入式gis系統(tǒng)運(yùn)行功耗,以指導(dǎo)類(lèi)似系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。
1 軟件低功耗措施
1.1 全動(dòng)態(tài)切換處理器的工作模式
嵌入式處理器是硬件系統(tǒng)的核心,運(yùn)行功耗占系統(tǒng)功耗的大部分。目前,嵌入式處理器一般采用risc體系結(jié)構(gòu),通過(guò)簡(jiǎn)化指令設(shè)計(jì)、引入流水線(xiàn)技術(shù)、指令預(yù)取、大量寄存器操作和高速緩存等技術(shù)提高運(yùn)行效率,并采用低電壓工作模式以降低運(yùn)行功耗。嵌入式處理器一般為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了三種工作模式：運(yùn)行模式（run）、空閑模式（idle）和休眠模式（standby）。運(yùn)行模式即正常工作模式,cpu全速運(yùn)行;空閑模式時(shí)cpu是靜態(tài)的,但lcd刷新電路和晶振都工作。在不同運(yùn)行模式下,處理器工作時(shí)功耗數(shù)值差別較大;以cirrus logic公司ep7211（arm7核）嵌入式處理為例,開(kāi)發(fā)手冊(cè)中寫(xiě)到,在18mhz工作頻率下,運(yùn)行時(shí)消耗電流是20ma,空閑時(shí)消耗電流是6ma,而休眠時(shí)消耗電流300μa。
全動(dòng)態(tài)切換處理器工作模式的目的是在不影響系統(tǒng)正常工作時(shí),通過(guò)軟件控制策略盡最大可能使嵌入式處理器工作在空閑或者休眠模式來(lái)降低系統(tǒng)功耗。用戶(hù)使用產(chǎn)品過(guò)程中,人機(jī)交互時(shí)間較短,cpu需要全速運(yùn)行時(shí)間較少,大部分時(shí)間是不需要工作的,基于產(chǎn)品使用模式,人機(jī)交互或者有外部中斷事件需要處理時(shí),控制嵌入式處理器處于運(yùn)行模式;在其他狀況下下,控制嵌入式處理器處于空閑模式或者休眠模式。
嵌入式gis系統(tǒng)采用消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制：系統(tǒng)有消息分發(fā)表明有任務(wù)需要處理器完成,嵌入式處理器工作于運(yùn)行模式;一旦在一定時(shí)間間隔（如2s）系統(tǒng)未能獲得任何新消息,且其他任務(wù)已經(jīng)完成,則通過(guò)軟件編程控制處理器從運(yùn)行模式切換到空閑模式;如果時(shí)間更長(zhǎng)（如5s）,還可以進(jìn)一步切換到休眠模式;在空閑或休眠模式,一旦系統(tǒng)通過(guò)外部實(shí)踐被喚醒,則轉(zhuǎn)入運(yùn)行模式。如此反復(fù),構(gòu)成如圖1所示的處理器工作模式切換圖。
1.2 合理調(diào)度數(shù)據(jù)
嵌入式gis系統(tǒng)中程序代碼和數(shù)據(jù)存放在存儲(chǔ)器中,存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的也是嵌入式系統(tǒng)功耗的一大部分。有資料統(tǒng)計(jì)表明,內(nèi)存傳輸是迄今為止cpu完成的操作中代價(jià)最高的——一次內(nèi)存?zhèn)鬏斚牡哪芰渴且淮渭臃ㄟ\(yùn)算的33倍,因此降低系統(tǒng)能量消耗的最主要的工作在于,合理組織存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)和指令代碼,盡量做到寄存器訪(fǎng)問(wèn)和緩存訪(fǎng)問(wèn),減少cpu訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器。隨著存儲(chǔ)技術(shù)理論的發(fā)展其工藝水平的提高,現(xiàn)在存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)一般是3J,而且支持虛擬存儲(chǔ)技術(shù),如圖2所示。
