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用于手持嵌入式系统的低功耗彩色TFT液晶显示器

摘要

1. 介绍

LCD(液晶显示器)是一种用于手持嵌入式系统的标准显示设备。今天，彩色TFT(薄膜晶体管)液晶显示器是常见的，即使在低成本的设备。液晶显示系统由液晶面板、帧缓冲存储器、液晶和帧缓冲控制器、背光逆变器和灯组成。它们都是电力消耗大户，并且在运行交互应用程序时，它们的份额变得更加占主导地位。这是因为交互应用往往是由人工输入触发的，从而导致CPU和内存系统的大量空闲时间，可以有效地用于动态电源管理。

在本文中，我们介绍了一种低功耗LCD显示方案作为系统级的方法。在不影响显示质量的前提下，准确地描述了器件级的能耗，将各器件的能耗降到最低。我们开发了多种技术，如可变占空比刷新、动态颜色深度控制和背光亮度调暗与亮度补偿或对比度增强。每一种方法的功耗分别降低了260mW、250mW和480mW。当我们执行一个文档查看器时，总能耗降低率是包括CPU和主内存系统在内的总能耗的28%。我们还演示了我们可以分别为文本编辑器和MPEG4播放器延长38%和20%的电池寿命。

类别和主题描述符

C.5【计算机系统组织】:计算机系统实施;I.3.1[计算机图形学]:硬件架构

真正的;B.4.2【输入/输出与数据通信】:输入/输出设备-图像显示

一般条款

设计

关键字

低功耗，低功耗，LCD，嵌入式系统

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2002年8月12日至14日，美国加利福尼亚州蒙特利。版权所有2002 ACM 1-58113-475-4/02/0008hellip;$5.00

随着对多媒体应用需求的增加，现代手持嵌入式系统配备了高质量的人机界面、高性能的CPU和高带宽、大容量的内存系统。虽然高效的STN(超扭曲向列相)液晶显示器(液晶显示器)适用于长电池寿命，背光TFT(薄膜晶体管)彩色液晶显示器是当今嵌入式系统的标准。

因此，尽管目前的嵌入式系统配备了32位RISC cpu，但显示系统仍然是主要的能源消耗者

运行在数百兆赫和几十兆字节的SDRAM作为内存系统。手持嵌入式系统通常是exe-

可爱的互动程序，往往导致非常低的CPU和内存利用率，从而大量的空闲时间。考虑到实际的能耗，由于可以利用空闲时间来降低CPU和内存的能耗，所以显示系统的优势更明显，但是对于显示系统来说，并没有这样的优势。为此目的，开发了动态电源管理和动态电源电压缩放技术[1,2,3,4,5]。在大多数情况下，只要用于人机界面的I/O设备保持清醒，用户就无法识别计算部分、CPU和内存的节能行为。根据这一背景，以往的能量削减主要集中在cpu和内存系统上[6,7]。采用了一系列的软硬件技术来降低其能耗。

显示器系统几乎完全依赖于操作员的界面，因此没有充足的睡眠，至少不会显著降低用户体验。事实上，关闭显示系统，即使只是很短的一段时间，也应该是延长电池寿命的最后选择，也就是说，只有在紧急情况下才可以。本文结合彩色TFT液晶显示系统的显示质量特点，介绍了一种新的节能技术。

从设备到软件，嵌入式系统的内部结构一直受到各种节能技术的制约，但用于显示技术的节能还不成熟。已经对显示系统的单个组件进行了节能[8,9,10,11]。因此，今天的LCD面板和背光管变得更加节能，但仍然很难找到一致的系统级方法来降低显示系统的能源消耗。系统级方法已被证明比单独的设备级方法更有希望在工作中专注于嵌入式系统的其他组件;提供更多实现全局优化的机会。因此，本文的研究重点是系统级的显示系统节能。

与计算部分不同，显示系统没有空闲时间。关闭液晶面板或关闭背面-

图1:手持嵌入式系统的能量模型，带有高品质的LCD显示屏。

表1:商用32位嵌入式cpu的功耗。

权力(mW)模式

强手SH3 MIPS运行400.00 454.50 660.00空闲100.00 68.00 297.00睡眠0.17 0.11 N/A

光是微不足道的，但会导致不可接受的显示质量下降。即使在没有适当补偿的情况下调暗背光，也会降低显示质量。然而，一些商用LCD控制器具有低功耗的电源管理功能，由于目前还没有针对整个显示系统的其他有效节能的系统技术，导致整个显示系统的关闭。

系统级方法或高级方法必须从精确的能量模型开始。我们充分利用每一个显示元件的详细能耗特性，进行精确的周期测量。此外，我们还组织了一个系统级的能量模拟器，它直接反映了详细的硬件操作，对硬件设计有着深刻的理解。本文结合实际的显示组件和应用程序，保证了这些方法在实际应用中的适用性。我们还演示了包括CPU和内存系统在内的整个系统的能量降低。首先，通过对彩色TFT液晶显示系统中主要耗能元件的精确测量，确定了主要耗能元件的位置。其次，我们建议接受较小的显示质量损失，以节省能源，因为有损耗的方法往往比无损耗的方法更有效。然而，我们不允许显着的显示质量下降。这是可能的，因为我们充分利用了详细的能源消耗模型，应用程序的特点，如基于文本和基于图形的程序，以及人类的认知。因此，我们介绍了以下技术:可变占空比刷新，这是本质上不同于可变点时钟，动态颜色深度控制和背光亮度调暗亮度补偿或对比度增强。

其余的论文组织如下。第二部分介绍了一种具有高品质的现代手持设备系统模型

表2:内存时钟频率为66MHz时，主存(K4S280832B-TC1L)和帧缓冲存储器(KM48S2020BT-G10)的功耗。

泄漏能量(nJ /时钟)

状态主内存帧缓冲区活动2.76 2.40

怠速0.88 1.20断电0.08 0.08

动态能量(nJ)

操作主存帧缓冲区

初始读68.24 22.05列

连续64.64 - 21.84

初始29.69 11.01列写

连续26.35 - 10.80

行激活55.91 31.26行预充4.76 9.92

自动刷新144.40 48.81

表3:内存时钟频率为66MHz时，主存总线和帧缓存内存总线的功耗。

泄漏能量(nJ /时钟)

内存帧缓冲状态数据总线地址总线数据总线地址总线高0.08 0.08 0.08 0.08

低0.53 0.58 0.53 0.58

动态能量(nJ)

内存帧缓冲操作数据总线地址总线数据总线地址总线高到低0.08 0.08 0.08 0.08 0.08

低到高0.53 0.58 0.53 0.58

显示系统。介绍了CPU、主存、LCD控制器、帧缓冲存储器、LCD面板、背光逆变器和灯以及相关的系统总线的能量模型。从整个系统来看，显示系统是一个占主导地位的电力消费系统。第三部分介绍了彩色TFT液晶显示系统的节能新技术。第4节给出了本文的绩效评价结果，最后对第5节进行了总结。

2. 系统与能量模型

图1是一个高品质显示的现代手持嵌入式系统参考平台。能源模型与占主导地位的能源消费者有关。在这些组件中，显示系统显示在dashlinbox中。我们对显示系统的能耗很感兴趣。但是，我们也包括了计算部分的能耗，以计算总能耗，因为我们声称的能耗降低率是针对整个系统的，强调贡献。

2.1 CPU和主存

参考平台包括高性能pda和运行WinCE或Linux操作系统的手持pc: 32位RISC CPU @206MHz, 32位64MB SDRAM主存@66MHz, 8KB双向集关联数据缓存和指令缓存。强臂[12]、SH3[13]和MIPS[14]都属于这一类。我们估计了CPU、主存和内存总线的能耗，从整个嵌入式系统的角度展示了显示系统的节能效果。只要我们准确估计实际执行时间，就可以使用CPU的平均功耗，而不会损失通用性(表1)。这是因为我们用的是

表4:LCD面板功耗。

#的阻塞

颜色功率(mW)∆功率(mW) 0白色830.5 0

红 绿858.5 28.0

1红 蓝857.5 27.0

绿色 蓝色856.0 25.5红色885.5 55.0

2绿色887.0 56.5

蓝色882.5 - 52.0

3黑色908.0 77.5

仅用于估计CPU。我们为CPU使用运行在206MHz的StrongARM的能量值，同时假设指令和数据的缓存大小各为8K，以获得更一般的性能。

参考平台配备三星K4S280832B-TC1L[15] 4台，总线长度2，等效容重2.7pF。内存数据总线由Fairchild缓冲74LVT245，其I/O电容为4pF。缓冲器中的母线保持电路具有额外的0.5pF等效电容。K4S280832B-TC1L数据端口的I/O电容为5.3pF。内存地址总线由Fairchild的74LVT244驱动，输出电容为4.0pF。由于四个K4S280832B-TC1L芯片连接在一起，地址端口的输入电容为15.0pF。正确估计主存系统的行为非常重要，因为CPU的执行时间和内存系统的能耗高度依赖于主存系统。我们用[16]中引入的周期精确测量方法对SDRAM器件进行了表征。表2和表3显示了用于主存储器和帧缓冲区的SDRAM设备及其相关总线的能量特性。由于空间有限，我们将两个设备的数据放在一起。我们建立了一个周期精确的缓存和主内存模拟器，并估计了CPU的能量消耗和执行时间。

2.2 LCD控制器和帧缓冲存储器

几年前，当STN lcd在嵌入式系统中流行时，帧缓冲内存的大小还不到几KB，总线宽度只有8位。今天，32位帧缓冲区甚至在嵌入式系统中也很流行，因为颜色的数量、屏幕的大小(包括虚拟屏幕)和页面的数量都在增加。我们用Xilinx Spartan II XC2S150-5PQ208实现了一个液晶显示器和一个帧缓冲控制器。控制器占用一个GCLKIOB、128个IOBs、181个片和3个gclk。我们使用Xilinx FPGA开发工具包中的一种新的功率估计工具XPower[17]来估计功耗。XPower在2.5V VCCint(核心电源电压)下报告136.7mW，在25◦C, 66MHz和10pF输出负载下报告3.3V VCCout (I/O电源电压)。

我们用来自三星的4个KM48S2020BT-G10组成一个32位，8MB的帧缓冲区。总线长度为2，能量模型为

如表2和表3所示。其他参数与主存相同。

2.3 LCD面板和LCD总线

参考平台配置640times;480,6.4,18位彩色，透射，彩色TFT液晶面板，LG-Philips LP064V1。它是一个低功耗显示器，支持60Hz刷新和VGA(视频图形阵列)兼容的输入定时[18]。LCD面板的功耗对显示颜色很敏感，如表4所示。白色消耗的能量最少，因为被电池阻挡的光的数量是最小的。由于液晶面板的功耗在电池不变的情况下是不可变的，所以我们用a来测量功耗

表5:25MHz像素时钟频率下LCD总线功耗。

状态泄漏能量(nJ/时钟)高0.21

低0.21

运行动态能量(nJ)高至低0.54

低到高0.54

图2:CCFL背光系统稳态功耗与亮度的关系

数字万用表。LCD总线通常是一种平面电缆，其能耗大于印刷电路板上的信号。我们还对LCD总线进行了周期精确测量(表5)。

2.4 LCD背光及逆变器

背光管是一个CCFT(冷阴极荧光灯管)，因此需要一个高压逆变器。我们使用照度计(美能达LS-100)和数字万用表通过改

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