具体实施方式
下面结合附图和实施方式进一步说明本发明的技术方案。
本发明提供一种低功耗的基于虚拟桌面的终端,所述终端连接云服务器,所述云服务器输出虚拟桌面至所述终端,所述终端包括:
带GPU硬件加速器的ARM架构核心处理器;
智能电源管理模块,包括将多个单组电源芯片整合在一起的电源芯片,以进行电源的多组管理以及电源芯片的动态电压频率调节;
作为一实施例,所述终端的操作系统包括Linux嵌入式操作系统,所述Linux嵌入式操作系统包括视频、音频、USB、系统启动、网络、远程桌面连接协议功能。
作为一实施例,所述终端还包括连接所述核心处理器的DVFS(动态电压频率调节)模块,所述的DVFS模块通过所述终端的电源控制器控制更新电压和频率的变化,通过调整驱动程序实现所述核心处理器的动态电压频率调整。
作为一实施例,所述终端还包括通过I2C通信接口连接所述核心处理器的视频转换芯片,所述核心处理器通过所述I2C通信接口对所述视频转换芯片的内部寄存器进行控制,以限制输入信号的带宽。
作为一实施例,所述终端包括桌面连接协议模块,以满足虚拟桌面在终端的显示要求。
另外,还在ARM终端中优化的虚拟桌面连接协议,满足虚拟桌面对用户体验的性能要求。包括处理器及相关外围器件模块的整体降功耗方法,包括裁减外围电路中高输入电压模块,降低整体输入电压;关闭闲置的I/O端口,减少无效功耗;对部分输入信号进行限制。
参见图1,下面通过硬件和软件的基本方案设置来说明本发明。
一、硬件降功耗部分
1.选型适用低功耗处理器
根据桌面终端的适用性,ARM Cortex A系列(A8、A9 )处理器可满足要求,因而在虚拟桌面中至少需要采用ARM Cortex A8或ARM Cortex A9以上的处理器并带有GPU硬件加速器,能耗才能降至最低。
2.采用智能电源管理模块
核心处理器选取后,为核心处理器供电成为关键部分,因而使用合适的电源管理模块对整体的功率消耗降低至关重要;
传统的电源芯片都是采用单组芯片管理,通常为DC/DC单组模块转换,转换效率仅70%左右,且各元件分散,占用比较大的PCB板材空间。而现在使用新技术,将多个单组电源芯片整合在一个电源芯片上,多组管理,这样可以有效的利用电源芯片的整合特性,将电源的输入和输出有机结合,能量转换效率可达到90%以上,大大提升电源的利用率;其次由于多组电源集成在单一的芯片中,可大量节省PCB板材空间,达到节能环保的目的。
3.降低工作电压
对于桌面终端设备,功率的大小取决于电压值和电流值之积,而在电流一定的情况下,电压的高低起决定性作用,通常输入电压有12V、9V、5V等几种;在满足桌面终端的需求下,裁减高电压的外围电路,将桌面终端采用最佳的5V供电输入,再配合节能电源模块(组合电源管理芯片与DC-DC降压芯片等),通过调节电源模块各工作电压对各相应功能模块分别供电,使总体的功耗减少。
4.配置闲置I/O端口
对I/O进行设置,使其只在工作时消耗功率。对嵌入式主处理器以及相关的外围器件的I/O端口配置,对一些在使用的I/O端口进行设置,由于这部分I/O端口从不工作状态到工作状态的转换需要较长的时间,通过上拉或上拉电阻来降低转换时间;另外对于闲置的或不稳定状态的I/O端口有一个副作用是可能产生与输出电路有关的额外漏电流,使输出电压降至电源的一半,并使其它输出电路处于很高的漏电交叉工作区域。通过对这些I/O端口配置,降低功率的消耗。
5.扩大输出范围
采用高度集成的电源管理芯片,对相应的输出电路保留足够的驱动能力,一组电压电路可驱动多个外围IC器件,这样减少了电路中的寄生元件(电容、驱动IC等),也降低了对功率的消耗。
二、软件降功耗部分
1.系统闲置功能裁剪
软件低功耗设计的关键是在低功耗桌面终端硬件平台上嵌入嵌入式系统。通过对嵌入式系统的裁剪及优化,编辑了一套可行的低功耗管理方法,同时不改变 嵌入式系统现有的调度策略。此方案采用的是Linux嵌入式系统,将该系统装载在本地电脑上,然后根据低功耗桌面终端的具体功能需求在交叉编译器环境下进行相应的裁剪,保留必须的视频、音频、USB、系统启动方式、网络、远程桌面连接协议等功能,其它与之不相关的功能裁剪掉,再对各接口处的代码优化,达到最佳效果。
2.电源动态监控管理系统
采用智能化控制系统,将控制运行在操作系统中,可方便有序的控制各功能模块的运行状况,一些功能在需要时才开启,可提高程序效率以及降低不必要的功耗。
另外在电源管理与主控芯片通信之间采用DVFS(电压频率动态调整)技术,动态电压频率调整驱动程序实现CPU的动态电压频率调整。核心(CPU)的时钟和核心电源电压可以是在线改变并继续正常运作。电压的改变可以通过设置电源管理芯片PMIC来实现。CPU频率可以通过改变暂时切换到备用PLL时钟,然后返回到已经更新并锁定的一个特定PLL,或者通过改变分频器的分频因子。
DVFS核心模块是一个电源管理模块。 DVFS模块的目的是智能检测合适的CPU操作频率。DVFS是在GPC(通用电源控制器)的控制下操作。硬件的DVFS核心中断由GPC IRQ送达。包括电压和频率的变化通过GPC控制器来更新。
DVFS的设备驱动程序允许核心的时钟域的频率和电压随负载在线改变。核心时钟域的核心电源电压和频率域的改变是根据定义的频率电压临界点切换。频率的操作使用的是clock framework时钟框架API,而电压设置使用的regulators API。
3.配置时钟速率
主处理器的主频率高低直接影响到整体功率的消耗,通过对整体功能评估后,将主频率降至最低(比如将原来主频率为1.2GHz降低至1.0GHz,系统还能正常运行)。由于CMOS电路中功率是开关频率的函数,因此降低的时钟速率下器件的功耗消耗也较小。
4.对部分输入信号进行限制
在视频图形输出部分,采用了专有的视频转换芯片,主处理器通过I2C通信接口对专有的视频转换芯片内部寄存器进行控制,通过适当限制输入信号的带宽,从而降低了对视频电路部分处理的要求,降低相应的功耗。
下面通过硬件和软件的实施例来进一步说明本发明。
一、硬件降功耗设计实施例
为降低功耗,并满足相关传输协议以及系统优化,采用飞思卡尔公司生产的I.mx53系列处理器,该处理器是新一代基于ARM内核的先进多媒体、高性能处理器。I.MX535内核运行速度高达1 GHz,其理想的性能和功耗可满足各类高端应用的严苛要求。I.MX535含有1080p高清视频解码和720p视频编码、带有GPU硬件加速器、两个专用显卡内核、多种显示和连接选项并高度集成,是智能设备的理想平台。选用“IMX53QSB: I.MX53 Quick Start Board”开发板,在此基础上对硬件和软件做二次开发。低功耗硬件平台的硬件架构原理图见附图2。包括内存模块、闪存模块、USB输出模块、USB-OTC模块、串口模块、网口模块、配置模块、电源模块、音频模块、OLED显示模块、HDMI视频模块、VGA视频输出模块、DVI视频输出模块。
在电源模块上,使用WOLFSON公司的WM8325芯片,实现对MCU及各外围电路提供相应的直流电源。电源模块WM8325芯片框图见附图3,电源模块为核心处理器提供工作电压。
为满足低功耗和视频需要,在核心模块上项目做了如下设计:为整个系统提供主处理器、内存、存储及各种外围接口。采用Freescale i.MX53 主频可以扩展到1G~1.2GHz,拥有32K的指令缓存和数据缓存以及256K的二级缓存,并且集成了多媒体硬件加速单元,3D和2D图形加速的OpenGL ES 2.0 和OpenVG 1.1,多格式高清HD 1080P视频解码模块和多格式HD720P的视频编码模块,支持1080P30 TV视频信号的直接输出,及其它一些外围接口(USB HOST、USB OTG、DVI、HDMI、SDIO、I2C、I2S等);
处理器:
I.MX535
ARM Cortex A8 800~1.2GHz主频
256K L2 Cache
32K Instruction/Data Cache
ARM NEON SIMD 媒体加速器
VFPU矢量浮点运算单元
OpenVG 1.1 &OpenGL ES 2.0
内存:1GB DDR3 256MB*4
存储:4GB INAND
同时为满足低功耗需求,在整个项目上通过技术方式做如下一些设计:
(1)降低工作电压。对桌面终端采用5V 供电输入,再选择节能电源模块(此次选用的是WM8325电源芯片与RT8010 DC-DC降压芯片组合),通过调节电源模块各工作电压对各相应功能模块分类供电,使总体的功耗减少。
(2)采用智能电源管理系统。在I.MX53内核中设计智能检测功能,通过IIC与WM8325电源模块通信,调节每组电压的寄存器值,从而控制整个系统的供电情况,并对一些功能模块仅在启动时才打开端口对其进行供电。
(3)采用较低的时钟速率。采用的主处理器I.MX53做主频率可升至1.2GHz,通过对整体功能评估后,将主频率降至1.0GHz。由于CMOS电路中功率是开关频率的函数,因此降低的时钟速率下器件的功耗消耗也较小。
(4)对部分输入信号进行限制。在图形输出部分,采用了TFP410视频转换芯片,主处理器通过I2C通信接口对TFP410内部寄存器进行控制,通过适当限制输入信号的带宽,从而降低了对视频电路部分处理的要求,降低相应的功耗。
(5)对I/O进行设置,使其只在工作时消耗功率。对I.MX53主处理器以及相关的外围器件的I/O端口配置,对一些在使用的I/O端口进行设置,由于这部分I/O端口从不工作状态到工作状态的转换需要较长的时间,通过上拉或上拉电阻来降低转换时间;另外对于闲置的或不稳定状态的I/O端口有一个副作用是可能产生与输出电路有关的额外漏电流,使输出电压降至电源的一半,并使其它输出电路处于很高的漏电交叉工作区域。通过对这些I/O端口配置,降低功率的消耗。
(6)扩大输出范围。采用WM8325高度集成的电源管理芯片,对相应的输出电路保留足够的驱动能力,一组电压电路可驱动多个外围IC器件,这样减少了电路中的寄生元件(电容、驱动IC等),也降低了对功率的消耗。
二、软件降功耗
在低功耗桌面终端硬件平台上设计终端软件低功耗部分。软件低功耗设计的关键是在低功耗桌面终端硬件平台上嵌入Linux 系统。通过对Linux系统的裁剪及优化,编辑了一套可行的低功耗管理方法,同时不改变 Linux 现有的调度策略。此项目采用的是Ubuntu 10.0.4(Linux系统的一种),将该系统装载在本地电脑上,然后根据低功耗桌面终端的具体功能需求在交叉编译器环境下进行相应的裁剪,保留视频、音频、USB、系统启动方式等部分功能,其它与之不相关的软件部分被裁剪掉。同时,在I.MX53内核中通过编辑软件来调用电源管理部分,设计一个智能的电源动态监控管理应用程序,既对电压进行动态观测与调节以及控制系统功耗消耗,也对整个系统的运行程序进行了优化,包括理清任务的执行顺序、时间管理、外设使用等。在优化好这些程序后,再通过编译器进行变换,从而降低系统能量消耗。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到,以上的实施方式仅是用来说明本发明,而并非用作为对本发明的限定,只要在本发明的实质精神范围内,对以上实施方式的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。