最小化ARM Cortex-M CPU功耗的方法与技巧

图3 Cortex-M0+指令表

节能性功能选项首要措施就是减少Flash存储访问次数。一个主要的16位指令集意味着你可以交替时钟周期访问Flash存储器（如图4所示），并且可以在每一次Flash存储访问中为流水线获取两条指令。假设你在存储器中有两条指令并对齐成一个32位字；在指令没有对齐的情况下，Cortex-M0+将禁止剩余的一半总线以节省每一点能耗。

图4 基于Cortex-M0+的交替时钟周期flash存储访问

此外，Cortex-M0+内核也可以通过减少到两级流水线而降低功耗。在通常的流水线处理器中，下一条指令在CPU执行当前指令时被取出。如果程序产生分支，并且不能使用下一条取出的指令，那么被用于取指（分支影子缓冲器）的功耗就被浪费了。在两级流水线中，这个分支影子缓冲器缩小了，因此能耗得以节省（虽然仅有少量），这也意味着在发生流水线刷新时，仅需要不到一个时钟周期就能重新填充流水线（如图5所示）。

图5 流水线和分支影子缓冲

图6 Cortex-M既有的低功耗模式

5利用GPIO端口节能

Cortex-M0+内核提供节能特性的另一个地方是它的高速GPIO端口。在Cortex-M3和Cortex-M4内核中，反转一位或GPIO端口的过程是"读-修改-写"一个32位寄存器。虽然Cortex-M0+也可以使用这个方法，但是它有一个专用的32位宽I/O端口，可以采用单时钟周期访问GPIO，使得它能够高效的反位/引脚反转。注意：在Cortex-M0+上，这是一个可选的特性，并不是所有供应商都具备了这个有用的GPIO特性。

6 CPU的休眠模式

减少CPU功耗的最有效方法之一是关闭CPU自身。在Cortex-M架构中有多种不同的休眠模式，每一种都在功耗和再次执行代码的启动时间之间进行了折中考虑（如图6所示）。它也能够让CPU在完成中断服务后自动进入某个休眠模式，而不需要执行任何代码去完成这个工作。这种方法可以为那些常见于超低功耗应用中的任务节省CPU时钟周期。

在深度睡眠模式下，也可以使用唤醒中断控制器（WIC）来减轻NVIC负担。在使用WIC时，为实现低功耗模式下外部中断唤醒CPU，无需为NVIC提供时钟。

7自主型外设可减轻CPU负荷

自主型片上外设具有降低功耗的优点。大多数MCU供应商已经在本身产品架构中实现了外设之间的自主型交互，例如Silicon Labs的EFM32 MCU使用的外设反射系统（PRS）。自主型外设能够实现十分复杂的外设动作链（触发而不是资料传输），同时保持CPU处于休眠状态。例如使用EFM32 MCU上的PRS功能，应用能够被配置为在CPU休眠的低功耗模式下，当片上比较器检测电压值超过了其预设的门限值，则触发一个定时器去开始减数。当定时器到达0时，触发DAC去开始输出-所有事件发生过程中CPU可以一直保持休眠状态。

自动进行如此复杂的交互，这使得外设之间能够完成大量工作而无需CPU参与。此外，带有内建智能的外设（例如传感器接口或脉冲计数器）能够通过预设的条件用于中断唤醒CPU，例如在累积10个脉冲时中断唤醒CPU.在这个例子中，当CPU被特定中断唤醒时，它明确知道需要做什么，而不需要检查计数器或寄存器以判别发生了什么，因此可以节省相当多的时钟周期，更好的完成其他重要任务。

我们已经介绍了多种易于实现的减轻Cortex-M设备上CPU功耗的方法。当然，还有其他因素影响功耗，例如用于加工设备的处理工艺或者用于存储应用代码的存储器技术。工艺和存储技术能够显著影响运行时功耗和低功耗模式下的漏电，因此也应当纳入嵌入式开发人员的整体功耗设计考虑之中。