從硅片到軟件的嵌入系統(tǒng)

　　AVS有一個(gè)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(dāng)輸入為3.6V時(shí)，用一個(gè)高效的內(nèi)部dc/dc轉(zhuǎn)換器為內(nèi)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(nèi)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?yàn)閮?nèi)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(gè)靈活的電源架構(gòu)，有六個(gè)獨(dú)立和可變的電源域，能夠?qū)崿F(xiàn)這種動(dòng)態(tài)的優(yōu)化。

　　增加硬件塊（如DMA）可以進(jìn)一步改變對(duì)能耗的折衷。

　　通常來(lái)說(shuō)，CMOS邏輯電路工作得較慢，因?yàn)樗鼈冸妷旱?。如果?yīng)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(xiàng)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(biāo)準(zhǔn)頻率。泄漏為電壓縮放提供了下限。如果每次運(yùn)行花費(fèi)時(shí)間太長(zhǎng)，則泄漏就開(kāi)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(gè)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(gè)需要完成相當(dāng)多數(shù)字信號(hào)處理的無(wú)線傳感器應(yīng)用，例如玻璃破碎探測(cè)器。在本例中，應(yīng)用會(huì)通過(guò)一個(gè)快速富利葉變換來(lái)分析由音頻傳感器拾取的振動(dòng)，其特性頻率來(lái)自于玻璃的碎裂。FFT比較復(fù)雜，因此，如要降低電壓而以較低頻率執(zhí)行這個(gè)變換，就會(huì)大大增加泄漏，

　　即使是采用較老的工藝技術(shù)。本例的最佳方案是以接近最高頻率運(yùn)行這個(gè)變換，然后返回睡眠模式，直到要向主結(jié)點(diǎn)報(bào)告任何結(jié)果時(shí)。

　　不過(guò)，無(wú)線協(xié)議代碼會(huì)產(chǎn)生不同的要求。射頻協(xié)議要求事件有固定的時(shí)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(yùn)行在適合于無(wú)線協(xié)議的速度。

　　增加硬件塊（如智能DMA）可以進(jìn)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(yù)，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(duì)與鏈接的組合，處理器就可以計(jì)算報(bào)頭、加密數(shù)據(jù)、分組組裝，然后以適當(dāng)?shù)拈g隔，將數(shù)據(jù)的傳送工作轉(zhuǎn)交給緩沖存儲(chǔ)區(qū)，供射頻前端使用。在射頻鏈路激活的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，處理器可以睡眠，節(jié)省大量能源。

　　存儲(chǔ)器使用。對(duì)于現(xiàn)代32 bit MCU,軟件工程師在存儲(chǔ)器塊的使用方式上有高度自由。通常MCU會(huì)提供一組存儲(chǔ)器，包括長(zhǎng)期保存代碼和數(shù)據(jù)的非易失存儲(chǔ)器，以及存放臨時(shí)數(shù)據(jù)的SRAM.多數(shù)情況下，訪問(wèn)閃存的功耗要高于SRAM.對(duì)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(gè)相對(duì)高電壓脈沖的漫長(zhǎng)序列重新寫入）。但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，閃存寫入操作并不頻繁，實(shí)際上不會(huì)影響到平均功耗。

　　閃存功耗的一個(gè)更進(jìn)一步因素是如何分配來(lái)自處理器的存取。每個(gè)閃存塊都包含多個(gè)頁(yè)面，每個(gè)頁(yè)面的大小最多可達(dá)4k字節(jié)。要支持存取，每個(gè)頁(yè)面都必須加電；未被使用的頁(yè)面則可以維持在低功耗狀態(tài)。如果一個(gè)定期存取的代碼段要跨兩個(gè)閃存頁(yè)，而不是全在一個(gè)頁(yè)面上，則讀取指令相關(guān)的能耗就會(huì)增加。將跨不同頁(yè)面的頻繁存取代碼與數(shù)據(jù)在內(nèi)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(fù)制功能，它更多地使用片上SRAM而不是閃存，無(wú)論是讀還是寫，雖然這種方法看似是對(duì)存儲(chǔ)容量的低效使用。電池長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)可以輕易抵消掉更多的內(nèi)存消耗。

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

　　對(duì)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(guò)，函數(shù)調(diào)用與分支（可重新使用公共代碼，從而減少應(yīng)用的尺寸）會(huì)在同列緩存的代碼段之間造成不可預(yù)期的沖突。這樣當(dāng)需要從主內(nèi)存中獲取指令時(shí)，會(huì)造成浪費(fèi)的“緩存顛覆”,以及多閃存頁(yè)激活。

　　在產(chǎn)品生命周期內(nèi)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(diào)用函數(shù)，這是有意義的?？紤]一個(gè)煙霧報(bào)警器：即使報(bào)警器每周觸發(fā)一次（也許源于廚房活動(dòng)所產(chǎn)生的過(guò)多煙氣），也僅是報(bào)警器十年壽命中3.15億次事件中的520個(gè)。絕大部分時(shí)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(shí)器的喚醒。

　　在警報(bào)器獲取的所有傳感器讀數(shù)中，只有不到0.0002%的情況才會(huì)執(zhí)行警報(bào)生成代碼。余下99.9998%的代碼執(zhí)行都是核心傳感器讀取循環(huán)；確保這個(gè)代碼直接在一個(gè)緩存列中執(zhí)行，就成為最低能量使用的關(guān)鍵。其它代碼由于運(yùn)行得極少，可以使用更傳統(tǒng)的技術(shù)做優(yōu)化。

　　能效工具。對(duì)于MCU平臺(tái)的能效最大化，工具的支持十分重要。要將不同函數(shù)分配到閃存的不同頁(yè)，就需要這樣一種鏈接器，它能夠知道目標(biāo)MCU的存儲(chǔ)器詳圖。鏈接器可以獲得開(kāi)發(fā)人員的輸入結(jié)果，看這個(gè)塊是否被分配在了跨頁(yè)邊界上，并生成已經(jīng)過(guò)非易性存儲(chǔ)最高能效優(yōu)化的二進(jìn)制碼。

　　一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)代碼也用于確保函數(shù)與數(shù)據(jù)的放置方式，即最常執(zhí)行的部分不會(huì)跨多個(gè)緩存列。如果MCU供應(yīng)商提供了這類工具，則實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的細(xì)節(jié)要容易得多，因?yàn)樗麄兞私饷總€(gè)目標(biāo)平臺(tái)的存儲(chǔ)器布局與功率需求。而第三方供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)這工具則要困難得多。

　　MCU供應(yīng)商還詳細(xì)地了解不同外設(shè)與片上總線的組織方式。這一知識(shí)可以用于工具中，指導(dǎo)工程師做出不浪費(fèi)功率的選擇。

　　提示

　　在工藝技術(shù)、IC架構(gòu)以及軟件結(jié)構(gòu)之間的權(quán)衡決策，可以得到微妙而有時(shí)是無(wú)法預(yù)期的結(jié)果。

　　電源門控可以減輕泄漏效應(yīng)，使更先進(jìn)的工藝結(jié)點(diǎn)成為低工作周期系統(tǒng)的較好選擇。

　　片上穩(wěn)壓器為設(shè)計(jì)人員提供了更多靈活性，能夠從一只電池中榨取更多的電荷，而片上dc/dc轉(zhuǎn)換器與性能監(jiān)控電路則能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的電壓縮放。

　　能感知硬件的軟件工具為嵌入系統(tǒng)工程師提供了更多認(rèn)知能力，從而實(shí)現(xiàn)更高的節(jié)能。