嵌入式软件的低功耗驱动软件设计

1 低功耗的意义

电子产品尤其是电池供电的都要求低功耗，究竟怎样才算低功耗？脱离应用场合的数值没有意义，低功耗是一种看情况而定、只可意会的标准。

2 思路决定成败

芯片数据手册写着低功耗，上面那些小的出奇的电流标准，只是用来摆设的一种无法工作的假死状态，工作功耗才是实实在在的。有时为了体现低功耗，还要在应用中设计所谓的低功耗模式，当系统确认没有任务时就休眠。于是乎，低功耗这种“既要马儿跑，又要马儿不吃草”的逻辑，就成为降低正常工作模式下系统功耗的常规选择。

从硬件角度来说，找到所有可能消耗电流的回路，确定哪些是可以通过软件控制的方式来优化，哪些是不可避免的，并给软件开发人员提供所有IO口状态对功耗影响的关系，用简单的表格说明一下高电平或低电平会怎样，悬浮会怎样。前期配置驱动软件，验证工作时最小电流满足标准，基本可确认硬件正常。剩下的就是软件开发人员的发挥空间，而基于软件的降功耗策略，正是本文所要讨论的重点。

3 驱动软件设计

3.1 端口配置

首先确认复位后引脚的默认状态，该状态下是否漏电，是否会开启某些时钟源，是否内部上拉或下拉，软件再结合硬件或外围做相应配置。例如AD通道禁止内部上拉，普通GPIO设为输出低或者高避免漏电，悬空引脚避免中断输入模式。

固定连接控制的，可以推挽输出控制外设，或者外部带上拉时选开漏；特殊引脚如UART一般配置模式即可，硬件自动控制对应电平；间歇性工作如ADC，作为输入转换完成后，可以再设为输出或关闭AD。

有些外设是可以插拔的，如UART正常空闲时收发都是高，如外设关机或者移除，仍保持高电平则存在漏电，这种情况下需将引脚设为输出低。重点关注工作中一种状态，工作结束或异常时要及时切换状态，避免漏电或者电平不匹配。

如果外设支持中断尽量配置开启，而不是定时轮询通信。

3.2 电源管理

芯片内部往往划分不同的电源域，硬件外设也分不同单元的供电，暂时不使用的部分，可以立刻关闭电源域、时钟域。在硬件成本允许或者功耗要求严苛的情况下，外设尽量独立供电，这样在非使用状态下软件控制断电。需要注意关闭电源域后，某些端口可能需要重新配置避免漏电，如上节所提到关闭外设的供电后，外设的UART端口变为低，主控的UART端口就不能继续维持高电平了。

3.3 系统时钟

在正常的工作模式下，频率越高功耗越高，完成同样工作的时间越短，也可更快进入休眠。如果单片机主要做控制，没有复杂运算，降频能实现需求就往更低的频率切换。如果有大量数学计算，可以空间换时间，或者先高频运行，尽快完成算法，运行结束后动态切换到低频。

同等时钟下，供电电压低功耗也低；定时采样、屏幕刷新也可在满足需求的情况下尽量低频处理。

3.4 待机底电流

查阅数据手册或者SDK官方文档，确定符合需求的、可被唤醒的最低功耗休眠模式，编写一个测试用例，关闭所有可能耗电的外设，进入休眠的状态，验证极限情况下的功耗。

可能还需要硬件排除电路板上无法优化的固有功耗，比如电压转换等固定消耗电流的部分，单纯看主芯片的工作电流，是否达到数据手册上对应模式下的理论值。如果不满足就需要继续关闭一些复位后自动开启的功能，比如时钟使能等；或者硬件工程师配合拆除可疑器件加快排查。这第一步非常关键，直接决定后期整机功耗能达到的最佳效果，同时在配置过程中，非常细微的认识到哪些外设和配置影响功耗，如何影响，有多大的影响。

3.5 休眠与唤醒

休眠后有的是降频工作，有的是假死（软件未运行，内存可恢复；有的不能恢复，唤醒类似重启效果），或者直接关机（RTC关机闹钟唤醒），不同的硬件方案和软件需求，休眠模式的表现不同。单片机开发，确认其所有的休眠模式，以及对应休眠模式下哪些时钟源工作或休眠，结合具体应用的需求，明确系统对唤醒源以及唤醒模式的需求，由此便确定了系统的基础休眠模式。

注意有些芯片在休眠模式下仅少数端口维持唤醒的状态，只有特殊引脚才能唤醒，这需要硬件设计前考虑。

3.6 功耗评估

降低功耗是软件和硬件协同工作才能解决的问题。比如AD采样时候的分压电阻，如果直接接了地，那会一直消耗电流；增加分压电阻足够大，表面上静态电流小，但因为AD内阻分流，最终结果就存在较大偏差。如果通过一个IO口来控制其接地的方式，只在需要采样的时候接地，采样完成后悬浮或者拉高，就可以将静态损耗降到最低，虽然成本加了不少，但实实在在的省电了。具体是否采用，主要是看功耗的标准，如果略微可以接受持续的静态损耗，就没必要增加硬件成本。

系统实现最低功耗，有时需要在外设性能、硬件成本和功耗之间做妥协，CPU是否可以降频，硬件外设是否支持中断唤醒等，这些都会影响最终的待机功耗，降低功耗是硬件和软件配合的结果，软件配置驱动，硬件逐个确认电流是否在期望之内，这理论值定义就看原厂资料或者经验了，以及与产品定义的待机时长妥协解决。