對于電池供電的互連設(shè)備而言，能耗是至關(guān)重要的，降低能耗可以最大程度地延長電池的更換時間，甚至讓設(shè)備在沒有環(huán)境能量源的情況下運行。雖然很多嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員精通優(yōu)化代碼，但要為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備節(jié)省能源，還需要更加全面的方法。
此類方法不僅必須要考慮存儲容量、MCU 性能和功耗的因素，還必須考慮到無線電、模擬電路、電源轉(zhuǎn)換器和傳感器。雖然所有這些因素都會影響系統(tǒng)的整體能耗，但開發(fā)人員最好控制的主要因素是微控制器。
本文將描述如何為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇低功耗微控制器，以及在板載外設(shè)方面要注意哪些問題。本文還將演示如何使用功率監(jiān)測工具，并提供達到最佳功率及性能的技巧和訣竅。
選擇低功耗微控制器架構(gòu)
要選擇低功耗微控制器，首先必須確定微控制器應(yīng)該使用的合適處理器內(nèi)核。目前行業(yè)中有很多專有微控制器內(nèi)核，但從 ARM? Cortex?-M 微控制器入手是非常合理的選擇。業(yè)界的多家供應(yīng)商都支持這些微控制器內(nèi)核，從而形成了提供支持和資源的穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境。
為了最大程度地降低能耗，必須及早考慮到兩大因素：性能和能效。對于微控制器而言，這兩個指標(biāo)很難量化，但開發(fā)人員可以使用兩種基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)： EEMBC 的 CoreMark 和 ULPmark。
CoreMark 用于測量微控制器的處理能力，這個值越高，處理能力就越強。例如，STMicroelectronics STM32L053 處理器可使用 STM32L053 Nucleo 開發(fā)板進行測試，它的 CoreMark 值為 75.18。另一款 STMicroelectronics 零件 STM32F417 的 CoreMark 值為 501.85。初看起來，開發(fā)人員可能認(rèn)為使用 STM32F417 是可取的，因為它的性能似乎出色得多。但是，在做出決定之前，還要考慮另外幾個因素。
圖 1： STMicroelectronics 的 STM32L053 Nucleo 板采用 ARM? Cortex?-M0+ 內(nèi)核，專門針對低功耗、資源受限的應(yīng)用而設(shè)計。（圖片來源：STMicroelectronics）
首先，CoreMark 只是告訴開發(fā)人員它能夠在一秒鐘內(nèi)執(zhí)行多少次基準(zhǔn)測試迭代。在不同時鐘速率下運行的處理器將產(chǎn)生差異很大的值。對處理能力進行比較的更好方式是比較 CoreMark/MHz。在本例中，STM32L053 處理器得出的結(jié)果為 2.35，而 STM32F417 得出的結(jié)果為 2.98（數(shù)據(jù)來源： EEMBC）。兩款處理器在效率方面非常接近。
其次，開發(fā)人員必須關(guān)注內(nèi)核架構(gòu)。STM32L053 采用 ARM Cortex-M0+，該處理器經(jīng)過優(yōu)化，具有很低的功耗，而且調(diào)試模塊的數(shù)量最少。此外，它還舍棄了高性能處理器上的所有附加部件，這些也是功耗最高的部件。
而 STM32F417 采用 ARM Cortex-M4，該處理器是作為高性能處理器設(shè)計的，在 168 MHz 而不是 32 MHz 的時鐘速度下運行。該時鐘速度達到了 STM32L053 的五倍，但 CoreMark/MHz 值僅提高了 26%。
ULPmark 可測量微控制器執(zhí)行操作（例如計算和存儲器操作）的效率高低。最新版本甚至可測量外設(shè)效率，讓開發(fā)人員能夠很好地從能源利用的視角，了解處理器的整體效率如何。
尋找合適的外設(shè)組合
微控制器內(nèi)核只是開發(fā)人員在選擇低功耗微控制器時應(yīng)該考慮的第一個因素。應(yīng)該考慮的另外一個因素是板載外設(shè)。CPU 的能耗大小在很大程度上取決于外設(shè)。開發(fā)人員希望確保他們選擇的零件采用盡可能自動化的低功耗外設(shè)。
首先，開發(fā)人員應(yīng)該尋找提供了不止一個直接存儲器訪問 (DMA) 通道的器件。利用 DMA，開發(fā)人員能夠在微控制器內(nèi)部傳輸更多信息，而無需 CPU 干預(yù)。這意味著 CPU 能夠騰出手做其他工作，例如運行應(yīng)用程序代碼，或者關(guān)閉或進入深度休眠模式以節(jié)省能耗。同時，DMA 通道還用于將數(shù)據(jù)從外設(shè)傳輸?shù)酱鎯ζ鳎瑥拇鎯ζ鱾鬏數(shù)酵庠O(shè)，甚至在存儲器的不同區(qū)域之間進行傳輸。
Texas Instruments 的 MSP430FR5994 就是專為低功耗工作設(shè)計的零件的很好例子，MSP430FR5994 Launchpad 開發(fā)套件包括了這種零件。MSP430FR5994 帶有內(nèi)置的 DMA 控制器，它有六個單獨的通道，可以同時在后臺工作。
圖 2： Texas Instruments 的 MSP430FR5994 Launchpad 開發(fā)套件包含多個低功耗外設(shè)，例如用于信號處理的六通道 DMA 控制器和低功耗加速器，另外還提供多種低功耗模式。（圖片來源：Texas Instruments）
另一個例子是尋求多種低功耗模式。新型微控制器將提供多種功耗模式，可將 CPU 和外設(shè)置于不同狀態(tài)，從簡單的休眠狀態(tài)一直到深度休眠狀態(tài)，微控制器在深度休眠狀態(tài)下幾乎接近關(guān)閉。在這些深度休眠模式下，整個微控制器的工作電流僅為幾毫微安。
在了解微控制器的低功耗狀態(tài)時，還要評估工具鏈和生態(tài)系統(tǒng)功能。設(shè)置和配置低功耗模式以及喚醒這些模式的事件，可能是一項頗具挑戰(zhàn)性的工作，而且非常耗時。新型微控制器，例如 Renesas 提供的 Synergy，在開發(fā)環(huán)境內(nèi)部包含了配置軟件，開發(fā)人員只需幾次點擊即可配置這些模式。對于低功耗應(yīng)用，開發(fā)人員應(yīng)該考慮使用帶有 64 或 128 KB 閃存的 S124 32 位 MCU。要快速啟動采用這些器件的開發(fā)工作，可以使用 Synergy DK-124 開發(fā)板。
圖 3： Renesas Synergy DK-124 開發(fā)板帶有低功耗模擬比較器，提供多種休眠模式，實現(xiàn)了低功耗運行。（圖片來源： Renesas）
測量和驗證微控制器功耗
選擇低功耗微控制器，只是確保系統(tǒng)能夠達到可能的最低功耗的第一步。為了真正達到最低功耗，開發(fā)人員必須在整個軟件開發(fā)過程中仔細(xì)地監(jiān)控微控制器的能耗。開發(fā)人員可以采用多種不同方法來監(jiān)控微控制器的能耗，包括電流探頭和能量感知調(diào)試器。
電流探頭的作用只是測量分流電阻器兩端的電壓，然后根據(jù)該電壓和分流電阻值來計算電流。如果您希望測量整個系統(tǒng)的電流消耗，那么這種解決方案的效果非常好，但如果您真正希望將微控制器執(zhí)行的操作與它們消耗的能量關(guān)聯(lián)起來，則應(yīng)使用能量感知調(diào)試器。這讓開發(fā)人員能夠確定哪些代碼區(qū)域需要進一步優(yōu)化或返工。
市場上有多種適用于 ARM Cortex-M? 微控制器的能量感知調(diào)試器，例如 I-Jet 調(diào)試探頭的 IAR Systems I-Scope 電源探頭（圖 4）。
圖 4： 連接到 IAR I-Jet 時，I-Scope 可用于測量系統(tǒng)電壓、電流和微控制器電流，然后全部反向關(guān)聯(lián)到程序計數(shù)器 (PC)，以確定哪些代碼區(qū)域消耗的能源最多。（圖片來源： IAR Systems Software）
I-Scope 工具帶有一個基于差分放大器的內(nèi)部電壓監(jiān)視器。它可以測量與微控制器電源軌串聯(lián)的分流電阻器兩端的壓降。這使得 I-Jet 調(diào)試探頭能夠測量電壓，同時對微控制器的 CPU 內(nèi)核中的程序計數(shù)器 (PC) 進行采樣（圖 5）。
圖 5： I-Scope（突出顯示為黃色）與 I-Jet 調(diào)試探頭配合使用，將分流電阻器的電流與在特定時間執(zhí)行的代碼關(guān)聯(lián)起來。（圖片來源： IAR Systems Software）
程序計數(shù)器準(zhǔn)確告訴探頭：應(yīng)用程序處于執(zhí)行過程的什么位置。將 PC 計數(shù)器信息與電流測量值相關(guān)聯(lián)，可生成應(yīng)用程序的能耗概況數(shù)據(jù)，以便開發(fā)人員能夠利用這些數(shù)據(jù)來優(yōu)化和驗證代碼。
設(shè)計低功耗器件的技巧和訣竅
找到合適的微控制器并監(jiān)控硬件，只是開發(fā)人員設(shè)計低功耗器件的第一個階段。此時的訣竅是了解如何充分利用微控制器來最大程度降低能耗。為了達到這個目標(biāo)，開發(fā)人員可以遵循以下的一般技巧。其中包括：
預(yù)先制定電池預(yù)算，包括最小功耗、最大功耗和平均功耗的估算值。
使用低功耗定時器來驅(qū)動計劃程序或 RTOS 的任何內(nèi)部系統(tǒng)節(jié)拍。
盡可能經(jīng)常地將 CPU 置于休眠模式（對于實時應(yīng)用，請務(wù)必考慮到喚醒和掉電時間）。
讓系統(tǒng)成為事件驅(qū)動型系統(tǒng)。可以利用中斷來喚醒系統(tǒng)并執(zhí)行功能，然后立即返回到休眠模式。
將 DMA 控制器和任何自動化外設(shè)集成到軟件架構(gòu)中，以實現(xiàn)“并行”處理。
根據(jù)需要管理微控制器時鐘頻率，以實現(xiàn)額外的能源節(jié)省。
監(jiān)控軟件能耗，不要害怕試用不同的架構(gòu)和配置。第一次嘗試的很可能不是功耗最低的配置。
適當(dāng)時，請使用中斷的 Sleep-on-exit 功能，該功能可在中斷結(jié)束時將處理器置于休眠模式，每個事件節(jié)省幾十個時鐘周期。
總結(jié)
為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備選擇低功耗微控制器是一項非常棘手的工作。正如本文所述，我們必須考慮到諸多因素，從微控制器架構(gòu)一直到板載外設(shè)功能。
選定了低功耗微控制器之后，并不能保證開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)最低功耗的目標(biāo)。下一個階段是認(rèn)真地設(shè)計架構(gòu)，并在整個開發(fā)生命周期中監(jiān)控軟件的性能。只有這樣，開發(fā)人員才能充分利用所選微控制器的低功耗特性和性能。
