嵌入式應(yīng)用中的能耗調(diào)試(圖)

在越來越多的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，節(jié)能和效率已成為開發(fā)人員最優(yōu)先考慮的因素。這種情況可能是出于以下原因：政府管制、增加電池壽命的需求或者僅僅是需要降低用電量。

為順應(yīng)這種趨勢(shì)，出現(xiàn)了越來越多的“超低功耗”微控制器。不過，至少到近期為止，還沒有出現(xiàn)能夠與之配套的、為開發(fā)人員提供對(duì)系統(tǒng)能耗的詳細(xì)監(jiān)控的工具。

擁有低功耗MCU本身并不意味著能耗會(huì)更低：關(guān)鍵在于優(yōu)化軟件，不僅僅是功能性方面，而且還要顧及能源效率方面。全面控制MCU周邊的硬件并優(yōu)化軟件和外設(shè)的總體使用率對(duì)于降低系統(tǒng)能耗而言是至關(guān)重要的因素。軟件并不總被看作能量的消耗者，但每個(gè)時(shí)鐘周期都會(huì)消耗電能，盡量減少它們，就能降低能耗。

節(jié)能型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)可以看作一種三段循環(huán)：硬件調(diào)試、軟件功能調(diào)試和軟件能耗調(diào)試。

節(jié)能型的軟件開發(fā)
在開發(fā)MCU軟件時(shí)，需要考慮的主要問題通常是降低存儲(chǔ)器使用量以及盡可能縮減代碼規(guī)模。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，一種非常常見的方案是使其在盡可能長(zhǎng)的時(shí)間里處于睡眠模式，但這并不是唯一的節(jié)能方式。高能源效率的MCU通常提供了其他功能，以達(dá)到更低的能耗。除了使用這些MCU所提供的睡眠模式之外，高效地使用上述的其他功能才是節(jié)能的真正訣竅。

隨著開發(fā)過程的前移，代碼變得更長(zhǎng)，而優(yōu)化能源效率則變成了一項(xiàng)更為復(fù)雜的任務(wù)。識(shí)別可以用中斷服務(wù)例程代替的非必要等待周期或者外設(shè)誤用等錯(cuò)誤，都變得越來越困難。如果這些“能源漏洞”沒有在開發(fā)階段被識(shí)別并加以解決，那么就幾乎不可能在現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室測(cè)試中檢測(cè)到它們。

要查明系統(tǒng)需要使用多少電能，最常見的方法是在一段特定時(shí)間內(nèi)對(duì)電流進(jìn)行采樣，求平均值并外推到更長(zhǎng)的時(shí)間周期。這種類型的測(cè)量可以使用萬用表或示波器來完成，但通常都不可能將結(jié)果與代碼例程關(guān)聯(lián)起來。

另一方面，邏輯分析儀可以用于記錄例程，但通常無法將其關(guān)聯(lián)到能耗。為了估計(jì)電池壽命，使用外推獲得的結(jié)果不應(yīng)該與真實(shí)使用情況相差太遠(yuǎn)，但是，當(dāng)目標(biāo)旨在優(yōu)化代碼的能源效率時(shí)，這種方法的用處很有限。

一種更富有成效的方法
現(xiàn)在，通過使用以圖形化方式實(shí)時(shí)顯示能耗信息、并能夠給出任何給定時(shí)刻的電流和實(shí)際運(yùn)行代碼之間關(guān)聯(lián)的軟件和硬件工具，就可能顯著地縮短開發(fā)時(shí)間并減少工作量。你可以使用電源軌上的電流傳感器來監(jiān)視能耗。

在確定的時(shí)間間隔處，就可以對(duì)電流進(jìn)行采樣，完成A/D轉(zhuǎn)換，然后通過USB端口來傳送這一信息——同電壓和計(jì)時(shí)一起。此外，MCU會(huì)發(fā)送程序計(jì)數(shù)器（PC）采樣，這樣，就可以在主機(jī)計(jì)算機(jī)上將代碼和電流關(guān)聯(lián)起來。

降低1000倍
高級(jí)功率監(jiān)控（AEM）系統(tǒng)就是現(xiàn)有工具的一個(gè)例子，它是Energy Micro公司EFM32 Gecko（壁虎）MCU的入門工具箱和開發(fā)工具箱的一部分。與電流消耗量有關(guān)的實(shí)時(shí)信息將顯示在LCD顯示屏上（如果使用DVK），或者將任何一種工具箱通過USB連接到PC上，然后顯示在該公司的energyAware Profiler上。圖1給出了一種常見的energyAware Profiler顯示。這種工具將以圖形化方式表示出電流與時(shí)間的關(guān)系。

圖1 由于可以對(duì)代碼更改的作用進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能耗調(diào)試得以簡(jiǎn)化

下面的這個(gè)例子將演示如何使用能耗概要分析并結(jié)合EFM32 MCU的特性以節(jié)省能耗。在圖2中，使用了LEUART模塊。它支持波特率高達(dá)9600的UART通信，同時(shí)將能耗保持在最小值。

圖2 運(yùn)行模式下的LEUART RX輪詢（a），睡眠模式下觸發(fā)的LEUART RX中斷（b）

從接收緩沖區(qū)獲取數(shù)據(jù)的一種常見方式是對(duì)其進(jìn)行輪詢，直到獲得有效數(shù)據(jù)，然后讀取緩沖區(qū)。要這樣做，MCU必須處于運(yùn)行模式，這會(huì)造成相對(duì)較高的電流使用量。

這一循環(huán)的剖析曲線如圖2a所示，是3.33mA的恒定電流消耗量。通過單擊圖表，就能高亮顯示造成電源消耗的函數(shù)。

void pollLEUARTRx(void)
{while ( !( LEUART0 -> STATUS LEUART_STATUS_RXDATAV ) );}
高亮顯示的代碼行是輪詢循環(huán)，它會(huì)檢查緩沖區(qū)是否接收到任何數(shù)據(jù)。剖析程序?qū)@示每個(gè)函數(shù)以及各個(gè)函數(shù)對(duì)總能耗的貢獻(xiàn)。在這里，代碼中唯一的函數(shù)是pollLEUARTRx（），所有的能耗都是由它產(chǎn)生的（見圖3）。

圖3 能耗函數(shù)

為了避免對(duì)RX緩沖區(qū)進(jìn)行輪詢，一種常見的變通方法是啟用RX中斷并將MCU置于睡眠模式。完成之后，很容易看到能耗節(jié)省是巨大的。當(dāng)我們關(guān)閉處理器，電流降至1.40mA（見圖2b）。現(xiàn)在，當(dāng)LEUART接收到數(shù)據(jù)，它就會(huì)被喚醒并通過TX緩沖區(qū)將其傳送回去。

當(dāng)中斷被觸發(fā)時(shí)，電流尖峰將達(dá)到2.5mA，而剖析程序會(huì)精確定位到中斷例程（見圖4a）。不過，電流將在這個(gè)尖峰值保留較長(zhǎng)的一段時(shí)間，而通過點(diǎn)擊圖表，就可能會(huì)發(fā)現(xiàn)在使用UART通信時(shí)的另一種常見錯(cuò)誤。

圖4 帶有LEUART TX輪詢的LEUART RX中斷（a），在接收字節(jié)之間處于睡眠模式下的EFM32（b），以及深睡眠模式下的EFM32（c）

void pollLEUARTTX(void)
{while ( !( LEUART0 -> STATUS LEUART_STATUS_TXC) );}

在發(fā)送數(shù)據(jù)之后，用戶會(huì)設(shè)置一個(gè)while循環(huán)以等待傳輸完成。無疑，這會(huì)使處理器過長(zhǎng)時(shí)間保持在運(yùn)行模式之下。這段循環(huán)可以被中斷所取代，一旦傳輸完成，中斷就會(huì)喚醒處理器。通過這樣做，就將再次降低電流消耗量（見圖4b）。

現(xiàn)在，在每個(gè)接收到的字節(jié)之間，處理器都進(jìn)入睡眠模式，降低了電流。字節(jié)傳輸?shù)耐瓿蔁o須處理器的干預(yù)，所以就不需要輪詢緩沖區(qū)以獲知傳輸何時(shí)完成。將循環(huán)替換為中斷例程是一種更優(yōu)雅、更節(jié)能的解決方案，正如這兩種方法的不同剖析圖所示。

深睡眠
EFM32 MCU的LEUART模塊可以在深睡眠模式下工作。在這種模式下，高頻振蕩器被關(guān)閉，但低頻振蕩器（RC或晶振）仍在運(yùn)行并給LEUART提供時(shí)鐘。如果將EFM32置于深睡眠模式并重復(fù)上述例子，能耗將降至微安量級(jí)。

為了能夠直觀地顯示這些電流數(shù)值，剖析程序從線性坐標(biāo)切換到對(duì)數(shù)坐標(biāo)。在深睡眠模式下，電流現(xiàn)在是1μA，而接收到幀時(shí)的尖峰值是80μA（見圖4c）。從第一種方法到最后一種配置，節(jié)能倍數(shù)超過了1000。