低功耗系統(tǒng)設計全方位解析：從硅片工藝到嵌入式軟

電源的考慮。片上穩(wěn)壓器為系統(tǒng)設計者提供了更高的靈活性，從而能從一只電池榨取更多電能。例如，片上開關降壓轉換器(如Silicon Labs公司的SiM3L1xx MCU產(chǎn)品)可以從一只3.6V工業(yè)電池獲得輸入，以高于80%的效率將其轉換為1.2V.很多MCU沒有這種特性，而是采用線性元件降壓到合適電平，會有大量的消耗。在高級的實現(xiàn)中，當電池放電到某個水平，轉換器無法做轉換工作時，降壓穩(wěn)壓器可以關閉。因此，電源可以在設備的整個生命周期上做到優(yōu)化能效，一切均在軟件控制下。

軟件的決策

性能的縮放。高能效嵌入應用的實現(xiàn)有賴于軟件的設計，軟件要以最適當?shù)姆绞绞褂糜布Y源。什么樣才是適合，這不僅取決于應用，而且要看硬件實現(xiàn)。同樣，硬件越靈活(包括CPU、時鐘、電壓和存儲器使用)，開發(fā)者可以獲得的節(jié)能潛力也越大。能感知硬件的軟件工具為嵌入系統(tǒng)工程師提供了更高的認知度，使他們能夠更多地了解到哪種更高節(jié)能是可實現(xiàn)的。

一種選擇是采用動態(tài)電壓縮放，如圖3和圖4所示。使該技術得以實現(xiàn)的是片上dc/dc轉換器與性能監(jiān)控電路，當應用不需要以最高速度執(zhí)行指令時，它們提供了降低電壓的能力。在這些情況下，系統(tǒng)就工作在較低的功耗下。最終的益處是一個輸入電壓的函數(shù)，可以在產(chǎn)品的生命周期內變化。圖中顯示了無電壓縮放(VDD固定)、SVS(靜態(tài)電壓縮放)，以及AVS(動態(tài)電壓縮放)之間的相對差別。

AVS有一個有意思的地方，這就是AVS策略可以根據(jù)系統(tǒng)輸入電壓而改變。在本例中，當輸入為3.6V時，用一個高效的內部dc/dc轉換器為內部邏輯以及閃存供電，效率更高。但隨著在產(chǎn)品生命周期內的電池放電，輸入電壓跌落，用輸入電壓為閃存子系統(tǒng)直接供電就成了更高效的方法，因為內部邏輯可以工作在較閃存更低的電壓下。例如，Silicon Labs公司的SiM3L1xx系列MCU就有一個靈活的電源架構，有六個獨立和可變的電源域，能夠實現(xiàn)這種動態(tài)的優(yōu)化。

增加硬件塊(如DMA)可以進一步改變對能耗的折衷。

通常來說，CMOS邏輯電路工作得較慢，因為它們電壓低。如果應用可以容忍較低的性能，則較低電壓可以因能耗中的二次項而獲得大的節(jié)能效果，例如常有這種情況，要處理的通信協(xié)議，其提交數(shù)據(jù)的速度不高于某種標準頻率。泄漏為電壓縮放提供了下限。如果每次運行花費時間太長，則泄漏就開始占據(jù)能耗方程的主要地位，從而增加了總能耗。因此，執(zhí)行一個功能越快越好，然后就使處理器回到睡眠模式，盡量減少泄漏成份。

考慮一個需要完成相當多數(shù)字信號處理的無線傳感器應用，例如玻璃破碎探測器。在本例中，應用會通過一個快速富利葉變換來分析由音頻傳感器拾取的振動，其特性頻率來自于玻璃的碎裂。FFT比較復雜，因此，如要降低電壓而以較低頻率執(zhí)行這個變換，就會大大增加泄漏，

即使是采用較老的工藝技術。本例的最佳方案是以接近最高頻率運行這個變換，然后返回睡眠模式，直到要向主結點報告任何結果時。

不過，無線協(xié)議代碼會產(chǎn)生不同的要求。射頻協(xié)議要求事件有固定的時序。在這些情況下，協(xié)議可能要完全由硬件處理。這就使降低處理器核心電壓有了更大的意義。因此，需要做分組組裝與傳輸?shù)拇a要運行在適合于無線協(xié)議的速度。

增加硬件塊(如智能DMA)可以進一步改變能耗的折衷情況。很多DMA控制器都需要處理器的頻繁干預，如原生ARM Cortex-M3處理器所提供的DMA控制器。但更多智能DMA控制器能支持一種排隊與鏈接的組合，處理器就可以計算報頭、加密數(shù)據(jù)、分組組裝，然后以適當?shù)拈g隔，將數(shù)據(jù)的傳送工作轉交給緩沖存儲區(qū)，供射頻前端使用。在射頻鏈路激活的大多數(shù)時間內，處理器可以睡眠，節(jié)省大量能源。

存儲器使用。對于現(xiàn)代32 bit MCU，軟件工程師在存儲器塊的使用方式上有高度自由。通常MCU會提供一組存儲器，包括長期保存代碼和數(shù)據(jù)的非易失存儲器，以及存放臨時數(shù)據(jù)的 SRAM.多數(shù)情況下，訪問閃存的功耗要高于SRAM.對于正常使用情況，閃存讀取次數(shù)是SRAM讀取數(shù)的三倍。閃存寫入消耗的功率更多(需要將整塊擦除，然后用一個相對高電壓脈沖的漫長序列重新寫入)。但對于大多數(shù)應用來說，閃存寫入操作并不頻繁，實際上不會影響到平均功耗。

閃存功耗的一個更進一步因素是如何分配來自處理器的存取。每個閃存塊都包含多個頁面，每個頁面的大小最多可達4k字節(jié)。要支持存取，每個頁面都必須加電;未被使用的頁面則可以維持在低功耗狀態(tài)。如果一個定期存取的代碼段要跨兩個閃存頁，而不是全在一個頁面上，則讀取指令相關的能耗就會增加。將跨不同頁面的頻繁存取代碼與數(shù)據(jù)在內存中重新分配，就可以在一只電池的放電壽命期間節(jié)省不小的能量，而不必修改物理硬件。

通常有意義的是復制功能，它更多地使用片上SRAM而不是閃存，無論是讀還是寫，雖然這種方法看似是對存儲容量的低效使用。電池長壽命的優(yōu)點可以輕易抵消掉更多的內存消耗。

代碼優(yōu)化。能量優(yōu)化亦可以顛覆傳統(tǒng)的代碼效率概念。幾十年來，嵌入系統(tǒng)工程師很注重針對存儲器大小來優(yōu)化代碼，除非性能是壓倒一切的指標。能量優(yōu)化提供了另一種全新的度量標準集。一個重要的考慮是采用32 bit平臺上已經(jīng)普遍提供的片上緩存。

對代碼大小的優(yōu)化能夠在緩存中保存更多的可執(zhí)行代碼，從而提高了速度和節(jié)省了能耗。不過，函數(shù)調用與分支(可重新使用公共代碼，從而減少應用的尺寸)會在同列緩存的代碼段之間造成不可預期的沖突。這樣當需要從主內存中獲取指令時，會造成浪費的“緩存顛覆”，以及多閃存頁激活。

在產(chǎn)品生命周期內要頻繁工作的那些代碼，可以充分壓縮到能裝入緩存中，而不做分支或調用函數(shù)，這是有意義的。考慮一個煙霧報警器：即使報警器每周觸發(fā)一次(也許源于廚房活動所產(chǎn)生的過多煙氣)，也僅是報警器十年壽命中3.15億次事件中的520個。絕大部分時間中，代碼只要讀一下傳感器值，然后發(fā)現(xiàn)其未超閾值，就讓處理器核心返回睡眠狀態(tài)，等待系統(tǒng)定時器的喚醒。