嵌入式軟件的低功耗驅(qū)動軟件設(shè)計

1 低功耗的意義

電子產(chǎn)品尤其是電池供電的都要求低功耗，究竟怎樣才算低功耗？脫離應(yīng)用場合的數(shù)值沒有意義，低功耗是一種看情況而定、只可意會的標準。

2 思路決定成敗

芯片數(shù)據(jù)手冊寫著低功耗，上面那些小的出奇的電流標準，只是用來擺設(shè)的一種無法工作的假死狀態(tài)，工作功耗才是實實在在的。有時為了體現(xiàn)低功耗，還要在應(yīng)用中設(shè)計所謂的低功耗模式，當(dāng)系統(tǒng)確認沒有任務(wù)時就休眠。于是乎，低功耗這種“既要馬兒跑，又要馬兒不吃草”的邏輯，就成為降低正常工作模式下系統(tǒng)功耗的常規(guī)選擇。

從硬件角度來說，找到所有可能消耗電流的回路，確定哪些是可以通過軟件控制的方式來優(yōu)化，哪些是不可避免的，并給軟件開發(fā)人員提供所有IO口狀態(tài)對功耗影響的關(guān)系，用簡單的表格說明一下高電平或低電平會怎樣，懸浮會怎樣。前期配置驅(qū)動軟件，驗證工作時最小電流滿足標準，基本可確認硬件正常。剩下的就是軟件開發(fā)人員的發(fā)揮空間，而基于軟件的降功耗策略，正是本文所要討論的重點。

3 驅(qū)動軟件設(shè)計

3.1 端口配置

首先確認復(fù)位后引腳的默認狀態(tài)，該狀態(tài)下是否漏電，是否會開啟某些時鐘源，是否內(nèi)部上拉或下拉，軟件再結(jié)合硬件或外圍做相應(yīng)配置。例如AD通道禁止內(nèi)部上拉，普通GPIO設(shè)為輸出低或者高避免漏電，懸空引腳避免中斷輸入模式。

固定連接控制的，可以推挽輸出控制外設(shè)，或者外部帶上拉時選開漏；特殊引腳如UART一般配置模式即可，硬件自動控制對應(yīng)電平；間歇性工作如ADC，作為輸入轉(zhuǎn)換完成后，可以再設(shè)為輸出或關(guān)閉AD。

有些外設(shè)是可以插拔的，如UART正?？臻e時收發(fā)都是高，如外設(shè)關(guān)機或者移除，仍保持高電平則存在漏電，這種情況下需將引腳設(shè)為輸出低。重點關(guān)注工作中一種狀態(tài)，工作結(jié)束或異常時要及時切換狀態(tài)，避免漏電或者電平不匹配。

如果外設(shè)支持中斷盡量配置開啟，而不是定時輪詢通信。

3.2 電源管理

芯片內(nèi)部往往劃分不同的電源域，硬件外設(shè)也分不同單元的供電，暫時不使用的部分，可以立刻關(guān)閉電源域、時鐘域。在硬件成本允許或者功耗要求嚴苛的情況下，外設(shè)盡量獨立供電，這樣在非使用狀態(tài)下軟件控制斷電。需要注意關(guān)閉電源域后，某些端口可能需要重新配置避免漏電，如上節(jié)所提到關(guān)閉外設(shè)的供電后，外設(shè)的UART端口變?yōu)榈?，主控的UART端口就不能繼續(xù)維持高電平了。

3.3 系統(tǒng)時鐘

在正常的工作模式下，頻率越高功耗越高，完成同樣工作的時間越短，也可更快進入休眠。如果單片機主要做控制，沒有復(fù)雜運算，降頻能實現(xiàn)需求就往更低的頻率切換。如果有大量數(shù)學(xué)計算，可以空間換時間，或者先高頻運行，盡快完成算法，運行結(jié)束后動態(tài)切換到低頻。

同等時鐘下，供電電壓低功耗也低；定時采樣、屏幕刷新也可在滿足需求的情況下盡量低頻處理。

3.4 待機底電流

查閱數(shù)據(jù)手冊或者SDK官方文檔，確定符合需求的、可被喚醒的最低功耗休眠模式，編寫一個測試用例，關(guān)閉所有可能耗電的外設(shè)，進入休眠的狀態(tài)，驗證極限情況下的功耗。

可能還需要硬件排除電路板上無法優(yōu)化的固有功耗，比如電壓轉(zhuǎn)換等固定消耗電流的部分，單純看主芯片的工作電流，是否達到數(shù)據(jù)手冊上對應(yīng)模式下的理論值。如果不滿足就需要繼續(xù)關(guān)閉一些復(fù)位后自動開啟的功能，比如時鐘使能等；或者硬件工程師配合拆除可疑器件加快排查。這第一步非常關(guān)鍵，直接決定后期整機功耗能達到的最佳效果，同時在配置過程中，非常細微的認識到哪些外設(shè)和配置影響功耗，如何影響，有多大的影響。

3.5 休眠與喚醒

休眠后有的是降頻工作，有的是假死（軟件未運行，內(nèi)存可恢復(fù)；有的不能恢復(fù)，喚醒類似重啟效果），或者直接關(guān)機（RTC關(guān)機鬧鐘喚醒），不同的硬件方案和軟件需求，休眠模式的表現(xiàn)不同。單片機開發(fā)，確認其所有的休眠模式，以及對應(yīng)休眠模式下哪些時鐘源工作或休眠，結(jié)合具體應(yīng)用的需求，明確系統(tǒng)對喚醒源以及喚醒模式的需求，由此便確定了系統(tǒng)的基礎(chǔ)休眠模式。

注意有些芯片在休眠模式下僅少數(shù)端口維持喚醒的狀態(tài)，只有特殊引腳才能喚醒，這需要硬件設(shè)計前考慮。

3.6 功耗評估

降低功耗是軟件和硬件協(xié)同工作才能解決的問題。比如AD采樣時候的分壓電阻，如果直接接了地，那會一直消耗電流；增加分壓電阻足夠大，表面上靜態(tài)電流小，但因為AD內(nèi)阻分流，最終結(jié)果就存在較大偏差。如果通過一個IO口來控制其接地的方式，只在需要采樣的時候接地，采樣完成后懸浮或者拉高，就可以將靜態(tài)損耗降到最低，雖然成本加了不少，但實實在在的省電了。具體是否采用，主要是看功耗的標準，如果略微可以接受持續(xù)的靜態(tài)損耗，就沒必要增加硬件成本。

系統(tǒng)實現(xiàn)最低功耗，有時需要在外設(shè)性能、硬件成本和功耗之間做妥協(xié)，CPU是否可以降頻，硬件外設(shè)是否支持中斷喚醒等，這些都會影響最終的待機功耗，降低功耗是硬件和軟件配合的結(jié)果，軟件配置驅(qū)動，硬件逐個確認電流是否在期望之內(nèi)，這理論值定義就看原廠資料或者經(jīng)驗了，以及與產(chǎn)品定義的待機時長妥協(xié)解決。