MCU軟件優(yōu)化之能源調(diào)試

　　現(xiàn)在人們更加重視可配置和可編程的解決方案，主要是因?yàn)樵谖⒖刂破髦?，能源消耗很大程度上直接?lái)自于處理內(nèi)核和許多外圍設(shè)備的活動(dòng)，這也是為什么現(xiàn)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)對(duì)'超低功耗'微控制器解決方案的需求量急劇增加的原因。

　　傳統(tǒng)上，在大多數(shù)能源敏感的應(yīng)用中人們一直采用8位或16位的設(shè)備，因?yàn)檫@些設(shè)備的內(nèi)核很小，門(mén)相對(duì)較少, 泄漏電流的水平較低。然而今天的應(yīng)用要求的處理能力要比8位或16位內(nèi)核所能集合的更強(qiáng)大。

　　過(guò)去人們普遍假定32位內(nèi)核產(chǎn)生的電流在節(jié)能模式下就會(huì)有益于能量敏感的應(yīng)用。今天看來(lái)這是一種誤解。利用現(xiàn)有的全套低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)， 32位內(nèi)核才可以實(shí)現(xiàn)低功耗模式，節(jié)能效果和8位內(nèi)核一樣好，甚至更好。

　　Energy Micro生產(chǎn)的EFM32 Gecko微控制器是一種新的節(jié)能設(shè)備，是專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)來(lái)用在MCU操作所有階段的產(chǎn)品，可減少電流和時(shí)間(即: 真正的能量)。圖1簡(jiǎn)要說(shuō)明了與尺寸較小的處理器內(nèi)核相比，這種以ARM Cortex?- M3為基礎(chǔ)的設(shè)備完成任務(wù)的時(shí)間更快，更能在低功耗模式下花更多的時(shí)間，從而進(jìn)一步降低平均功耗。

　　圖1：一個(gè)節(jié)能MCU內(nèi)核可通過(guò)完整的喚醒/操作/返回睡眠周期節(jié)省幾個(gè)不同區(qū)域的能量。藍(lán)色區(qū)域表示一個(gè)更強(qiáng)大的32位內(nèi)核完成任務(wù)所節(jié)省的能量，所需的周期比一個(gè)8位內(nèi)核需要的少，在活躍和睡眠模式下消耗的電流也較少。

　　如圖2所示，Gecko已證明了它所消耗的能量?jī)H為8位、16位或32位解決方案所需能量的四分之一。這一性能在很大程度上是通過(guò)一個(gè)低能量的外圍設(shè)備套裝組合實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)組合包括外圍反射系統(tǒng)(使得外圍設(shè)備圍繞內(nèi)核自動(dòng)運(yùn)作)、五個(gè)不同的和分級(jí)的低能量模式和非常快速的喚醒時(shí)間。

　　Energy Micro的ARM ?Cortex?- M3芯片結(jié)構(gòu)是以EFM32 Gecko微控制器為基礎(chǔ)的。

　　要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)應(yīng)用中盡可能低的能源消耗，我們不能忽視應(yīng)用源代碼所發(fā)揮的關(guān)鍵作用。如果電池壽命被充分最大化了, 源代碼的設(shè)計(jì)就要盡量使用低能量的外圍設(shè)備和低能量模式。

　　由于源代碼庫(kù)規(guī)模的增長(zhǎng),源代碼變得越來(lái)越難以識(shí)別，例如，當(dāng)需要中斷服務(wù)程序來(lái)取代循環(huán)時(shí)：一個(gè)簡(jiǎn)單的代碼疏忽可能會(huì)導(dǎo)致處理器繼續(xù)保持全面活躍,同時(shí)等待某個(gè)外部事件的發(fā)生，而不是進(jìn)入節(jié)能睡眠模式。

　　在檢查代碼或在理想條件下進(jìn)行測(cè)試時(shí)，這種偽隨機(jī)事件很容易被忽略，而且在浸泡試驗(yàn)中很難捕捉到它。同樣，即使是最有經(jīng)驗(yàn)的工程師可能也無(wú)法獨(dú)自從一張純粹的代碼列表中識(shí)別出消耗了不定量能源的代碼。

　　雖然通過(guò)萬(wàn)用表閱讀或示波器跟蹤可能會(huì)測(cè)出給定時(shí)間內(nèi)的能耗平均水平，它卻不能測(cè)出特定事件所消耗的電流。同樣，邏輯分析儀可以顯示某個(gè)特別程序開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)間和次數(shù)，但卻不能將此與電涌聯(lián)系起來(lái)。

　　利用創(chuàng)新科技，Energy Micro開(kāi)發(fā)了一種克服這些限制的解決方案，該方案不僅提供了所用的瞬時(shí)能量水平，也將信息與當(dāng)時(shí)實(shí)際采用的代碼聯(lián)系了起來(lái)。

　　energyAware Profiler是用于PC的一種'能量調(diào)試'工具，它采用了現(xiàn)有的EFM32 Gecko開(kāi)發(fā)工具包中的專(zhuān)用Advanced Energy Monitoring (先進(jìn)能源監(jiān)控AEM)系統(tǒng)。AEM能顯示開(kāi)發(fā)工具包里印刷線路板上液晶顯示器應(yīng)用的實(shí)時(shí)耗電量，如圖3所示，在運(yùn)用Profiler軟件時(shí)，能源調(diào)試的真正能量才得以實(shí)現(xiàn)。

　　圖3：節(jié)能的EFM32 Gecko微控制器開(kāi)發(fā)工具包里有Advanced Energy Monitoring (先進(jìn)能源監(jiān)控)。

　　該軟件通過(guò)USB接口在Windows和開(kāi)發(fā)工具包界面上運(yùn)行。來(lái)自開(kāi)發(fā)工具包里的基本數(shù)據(jù)使PC顯示出運(yùn)行在目標(biāo)MCU上的應(yīng)用代碼的實(shí)時(shí)能量剖面。

　　默認(rèn)配置顯示出時(shí)間推移中的能量水平，使工程師能識(shí)別出某個(gè)關(guān)注區(qū)域里使用的能源可能比預(yù)期的高了。隨著時(shí)間的推移, 系統(tǒng)推斷出的電池供電應(yīng)用的預(yù)期壽命指標(biāo)比通過(guò)一張數(shù)據(jù)表中估算出最好和最差情況下的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。

　　在與energyAware Profiler一同使用時(shí)，AEM系統(tǒng)采用一個(gè)基于ARM的串行接口收集應(yīng)用中的其它信息。傳遞給它的數(shù)據(jù)采用AEM系統(tǒng)的硬件進(jìn)行解碼，然后再傳到PC上。這項(xiàng)活動(dòng)的非侵入性意味著目標(biāo)的能源剖面不以任何方式改變。

　　其它數(shù)據(jù)包括重要的調(diào)試信息，包括Program Counter(程序計(jì)數(shù)器)，它使energyAware Profiler能及時(shí)識(shí)別在某個(gè)特定時(shí)刻采用的實(shí)際源代碼，如能量圖所示。這會(huì)立刻向工程師指出該程序產(chǎn)生高能耗的任何區(qū)域，將代碼進(jìn)行優(yōu)化以降低整體能源消耗。見(jiàn)圖4。

　　圖4：energyAware Profiler同時(shí)提供三個(gè)角度、一張實(shí)時(shí)電流消耗圖、一張?jiān)O(shè)備代碼列表和一個(gè)單獨(dú)應(yīng)用功能的能量剖面。

　　該圖通過(guò)寬度和高度的軌跡和快速的量級(jí)來(lái)代表能量的使用。下面是獨(dú)立的峰值 – 很容易通過(guò)使用示波器來(lái)監(jiān)控電源的電流進(jìn)行識(shí)別- 實(shí)際上可能并不需要進(jìn)一步調(diào)查，而長(zhǎng)期以來(lái)相對(duì)較少的活動(dòng)其實(shí)也代表無(wú)用循環(huán)可以輕易被中斷驅(qū)動(dòng)的事件所取代，這將使設(shè)備進(jìn)入一個(gè)節(jié)能睡眠模式的過(guò)渡期。

　　通過(guò)查看這些與源代碼緊密相關(guān)的圖表資料，工程師很快就能夠在一個(gè)項(xiàng)目中識(shí)別、放棄和優(yōu)先考慮具體的程序，避免不必要的能源使用量。這很容易轉(zhuǎn)化為一個(gè)量級(jí)的低能源消耗，因此，是更為有效的應(yīng)用。

　　在為一個(gè)設(shè)備或應(yīng)用設(shè)定額定功率時(shí)，參考數(shù)據(jù)表對(duì)工程隊(duì)而言是司空見(jiàn)慣的。然而，正如我們之前提到的，能源和功率根本不一樣，很多低功耗設(shè)備使用更多的能源，因?yàn)樗鼈冊(cè)谝粋€(gè)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)很活躍。由于這個(gè)原因，我們不能忽視電源管理的時(shí)間軸，但很少能以一個(gè)可靠的方式實(shí)現(xiàn)它。

　　顯然在這種情況下該軟件的剖面是至關(guān)重要的?？上Т蠖鄶?shù)的軟件工程師并未深刻意識(shí)到哪個(gè)代碼具有公開(kāi)的“能源效率”。這不是批評(píng)，而是觀察的結(jié)果，我們不能把軟件看成先天資源不足，說(shuō)它超出了傳統(tǒng)的時(shí)鐘周期和記憶的條件。不過(guò)，今天每個(gè)時(shí)鐘周期仍在消耗能源, 減少消耗是工程師們開(kāi)發(fā)超低能源應(yīng)用時(shí)所要面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。

　　此外，減少時(shí)鐘周期直接關(guān)系到使用較少的能量，正確優(yōu)化時(shí)鐘周期提供了較佳的整體能量剖面。很明顯，一個(gè)功能上正確的程序不一定能通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化能源效率。

　　為EFM32 Gecko MCU開(kāi)發(fā)的energyAware Profiler技術(shù)有一個(gè)從0.1μA至100mA的動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)用的精細(xì)調(diào)試與功能調(diào)試同時(shí)進(jìn)行，從而將開(kāi)發(fā)時(shí)間的結(jié)果最大化了。

　　能源調(diào)試以及軟件描述在超低功耗應(yīng)用和技術(shù)中變得越來(lái)越關(guān)鍵。雖然EFM32 Gecko MCU是一種固有的低功率技術(shù)，隨著時(shí)間的推移, 保持較低的能源消耗與應(yīng)用的性能之間有著內(nèi)在的聯(lián)系。這使得它在短期內(nèi)受面向應(yīng)用的條件限制，很難模擬。雖然數(shù)據(jù)表可能會(huì)幫助一位工程師了解在一定條件下某個(gè)設(shè)備使用的能源數(shù)量，但是只有當(dāng)應(yīng)用程序真的實(shí)際運(yùn)行了，該數(shù)據(jù)表的數(shù)字才真的會(huì)得到檢驗(yàn)。