嵌入式应用中的能耗调试技术

在越来越多的嵌入式系统应用中，节能和效率已成为开发人员最优先考虑的因素。这种情况可能是出于以下原因：政府管制、增加电池寿命的需求或者仅仅是需要降低用电量。为顺应这种趋势，出现了越来越多的“超低功耗”微控制器。不过，至少到近期为止，还没有出现能够与之配套的、为开发人员提供对系统能耗的详细监控的工具。

拥有低功耗MCU本身并不意味着能耗会更低：关键在于优化软件，不仅仅是功能性方面，而且还要顾及能源效率方面。全面控制MCU周边的硬件并优化软件和外设的总体使用率对于降低系统能耗而言是至关重要的因素。软件并不总被看作能量的消耗者，但每个时钟周期都会消耗电能，尽量减少它们，就能降低能耗。

节能型的嵌入式系统开发可以看作一种三段循环：硬件调试、软件功能调试和软件能耗调试。

节能型的软件开发
在开发MCU软件时，需要考虑的主要问题通常是降低存储器使用量以及尽可能缩减代码规模。为了实现节能，一种非常常见的方案是使其在尽可能长的时间里处于睡眠模式，但这并不是唯一的节能方式。高能源效率的MCU通常提供了其他功能，以达到更低的能耗。除了使用这些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节能的真正诀窍。

随着开发过程的前移，代码变得更长，而优化能源效率则变成了一项更为复杂的任务。识别可以用中断服务例程代替的非必要等待周期或者外设误用等错误，都变得越来越困难。如果这些“能源漏洞”没有在开发阶段被识别并加以解决，那么就几乎不可能在现场或实验室测试中检测到它们。

要查明系统需要使用多少电能，最常见的方法是在一段特定时间内对电流进行采样，求平均值并外推到更长的时间周期。这种类型的测量可以使用万用表或示波器来完成，但通常都不可能将结果与代码例程关联起来。

另一方面，逻辑分析仪可以用于记录例程，但通常无法将其关联到能耗。为了估计电池寿命，使用外推获得的结果不应该与真实使用情况相差太远，但是，当目标旨在优化代码的能源效率时，这种方法的用处很有限。

一种更富有成效的方法
现在，通过使用以图形化方式实时显示能耗信息、并能够给出任何给定时刻的电流和实际运行代码之间关联的软件和硬件工具，就可能显著地缩短开发时间并减少工作量。你可以使用电源轨上的电流传感器来监视能耗。

 在确定的时间间隔处，就可以对电流进行采样，完成A/D转换，然后通过USB端口来传送这一信息——同电压和计时一起。此外，MCU会发送程序计数器（PC）采样，这样，就可以在主机计算机上将代码和电流关联起来。

降低1000倍
高级功率监控（AEM）系统就是现有工具的一个例子，它是Energy Micro公司EFM32 Gecko（壁虎）MCU的入门工具箱和开发工具箱的一部分。与电流消耗量有关的实时信息将显示在LCD显示屏上（如果使用DVK），或者将任何一种工具箱通过USB连接到PC上，然后显示在该公司的energyAware Profiler上。图1给出了一种常见的energyAware Profiler显示。这种工具将以图形化方式表示出电流与时间的关系。

图1 由于可以对代码更改的作用进行实时监控，能耗调试得以简化

下面的这个例子将演示如何使用能耗概要分析并结合EFM32 MCU的特性以节省能耗。在图2中，使用了LEUART模块。它支持波特率高达9600的UART通信，同时将能耗保持在最小值。

图2 运行模式下的LEUART RX轮询（a），睡眠模式下触发的LEUART RX中断（b）

从接收缓冲区获取数据的一种常见方式是对其进行轮询，直到获得有效数据，然后读取缓冲区。要这样做，MCU必须处于运行模式，这会造成相对较高的电流使用量。

这一循环的剖析曲线如图2a所示，是3.33mA的恒定电流消耗量。通过单击图表，就能高亮显示造成电源消耗的函数。

void pollLEUARTRx(void)
{while ( !( LEUART0 -> STATUS & LEUART_STATUS_RXDATAV ) );}
高亮显示的代码行是轮询循环，它会检查缓冲区是否接收到任何数据。剖析程序将显示每个函数以及各个函数对总能耗的贡献。在这里，代码中唯一的函数是pollLEUARTRx（），所有的能耗都是由它产生的（见图3）。

图3 能耗函数

为了避免对RX缓冲区进行轮询，一种常见的变通方法是启用RX中断并将MCU置于睡眠模式。完成之后，很容易看到能耗节省是巨大的。当我们关闭处理器，电流降至1.40mA（见图2b）。现在，当LEUART接收到数据，它就会被唤醒并通过TX缓冲区将其传送回去。

当中断被触发时，电流尖峰将达到2.5mA，而剖析程序会精确定位到中断例程（见图4a）。不过，电流将在这个尖峰值保留较长的一段时间，而通过点击图表，就可能会发现在使用UART通信时的另一种常见错误。

图4 带有LEUART TX轮询的LEUART RX中断（a），在接收字节之间处于睡眠模式下的EFM32（b），以及深睡眠模式下的EFM32（c）

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

在发送数据之后，用户会设置一个while循环以等待传输完成。无疑，这会使处理器过长时间保持在运行模式之下。这段循环可以被中断所取代，一旦传输完成，中断就会唤醒处理器。通过这样做，就将再次降低电流消耗量（见图4b）。

现在，在每个接收到的字节之间，处理器都进入睡眠模式，降低了电流。字节传输的完成无须处理器的干预，所以就不需要轮询缓冲区以获知传输何时完成。将循环替换为中断例程是一种更优雅、更节能的解决方案，正如这两种方法的不同剖析图所示。

深睡眠
EFM32 MCU的LEUART模块可以在深睡眠模式下工作。在这种模式下，高频振荡器被关闭，但低频振荡器（RC或晶振）仍在运行并给LEUART提供时钟。如果将EFM32置于深睡眠模式并重复上述例子，能耗将降至微安量级。

为了能够直观地显示这些电流数值，剖析程序从线性坐标切换到对数坐标。在深睡眠模式下，电流现在是1μA，而接收到帧时的尖峰值是80μA（见图4c）。从第一种方法到最后一种配置，节能倍数超过了1000。