低功耗系统设计全方位解析：从硅片工艺到嵌入式软

适合于无线协议的速度。

增加硬件块(如智能DMA)可以进一步改变能耗的折衷情况。很多DMA控制器都需要处理器的频繁干预，如原生ARM Cortex-M3处理器所提供的DMA控制器。但更多智能DMA控制器能支持一种排队与链接的组合，处理器就可以计算报头、加密数据、分组组装，然后以适当的间隔，将数据的传送工作转交给缓冲存储区，供射频前端使用。在射频链路激活的大多数时间内，处理器可以睡眠，节省大量能源。

存储器使用。对于现代32 bit MCU，软件工程师在存储器块的使用方式上有高度自由。通常MCU会提供一组存储器，包括长期保存代码和数据的非易失存储器，以及存放临时数据的 SRAM.多数情况下，访问闪存的功耗要高于SRAM.对于正常使用情况，闪存读取次数是SRAM读取数的三倍。闪存写入消耗的功率更多(需要将整块擦除，然后用一个相对高电压脉冲的漫长序列重新写入)。但对于大多数应用来说，闪存写入操作并不频繁，实际上不会影响到平均功耗。

闪存功耗的一个更进一步因素是如何分配来自处理器的存取。每个闪存块都包含多个页面，每个页面的大小最多可达4k字节。要支持存取，每个页面都必须加电;未被使用的页面则可以维持在低功耗状态。如果一个定期存取的代码段要跨两个闪存页，而不是全在一个页面上，则读取指令相关的能耗就会增加。将跨不同页面的频繁存取代码与数据在内存中重新分配，就可以在一只电池的放电寿命期间节省不小的能量，而不必修改物理硬件。

通常有意义的是复制功能，它更多地使用片上SRAM而不是闪存，无论是读还是写，虽然这种方法看似是对存储容量的低效使用。电池长寿命的优点可以轻易抵消掉更多的内存消耗。

代码优化。能量优化亦可以颠覆传统的代码效率概念。几十年来，嵌入系统工程师很注重针对存储器大小来优化代码，除非性能是压倒一切的指标。能量优化提供了另一种全新的度量标准集。一个重要的考虑是采用32 bit平台上已经普遍提供的片上缓存。

对代码大小的优化能够在缓存中保存更多的可执行代码，从而提高了速度和节省了能耗。不过，函数调用与分支(可重新使用公共代码，从而减少应用的尺寸)会在同列缓存的代码段之间造成不可预期的冲突。这样当需要从主内存中获取指令时，会造成浪费的“缓存颠覆”，以及多闪存页激活。

在产品生命周期内要频繁工作的那些代码，可以充分压缩到能装入缓存中，而不做分支或调用函数，这是有意义的。考虑一个烟雾报警器：即使报警器每周触发一次(也许源于厨房活动所产生的过多烟气)，也仅是报警器十年寿命中3.15亿次事件中的520个。绝大部分时间中，代码只要读一下传感器值，然后发现其未超阈值，就让处理器核心返回睡眠状态，等待系统定时器的唤醒。

在警报器获取的所有传感器读数中，只有不到0.0002%的情况才会执行警报生成代码。余下99.9998%的代码执行都是核心传感器读取循环;确保这个代码直接在一个缓存列中执行，就成为最低能量使用的关键。其它代码由于运行得极少，可以使用更传统的技术做优化。

能效工具。对于MCU平台的能效最大化，工具的支持十分重要。要将不同函数分配到闪存的不同页，就需要这样一种链接器，它能够知道目标MCU的存储器详图。链接器可以获得开发人员的输入结果，看这个块是否被分配在了跨页边界上，并生成已经过非易性存储最高能效优化的二进制码。

一般来说，这个代码也用于确保函数与数据的放置方式，即最常执行的部分不会跨多个缓存列。如果MCU供应商提供了这类工具，则实现这种级别的细节要容易得多，因为他们了解每个目标平台的存储器布局与功率需求。而第三方供应商实现这工具则要困难得多。

MCU供应商还详细地了解不同外设与片上总线的组织方式。这一知识可以用于工具中，指导工程师做出不浪费功率的选择。

提示

在工艺技术、IC架构以及软件结构之间的权衡决策，可以得到微妙而有时是无法预期的结果。

电源门控可以减轻泄漏效应，使更先进的工艺结点成为低工作周期系统的较好选择。

片上稳压器为设计人员提供了更多灵活性，能够从一只电池中榨取更多的电荷，而片上dc/dc转换器与性能监控电路则能实现动态的电压缩放。

能感知硬件的软件工具为嵌入系统工程师提供了更多认知能力，从而实现更高的节能。