功耗調(diào)試技術(shù)使軟件工程師得以了解嵌入式系統(tǒng)的軟件對系統(tǒng)功耗的影響。通過建立源代碼和功耗之間的聯(lián)系，使得測試和調(diào)整系統(tǒng)功耗成為可能，即所謂功耗調(diào)試。傳統(tǒng)上，降低功耗僅是硬件工程師的設(shè)計目標；然而在實際運行的系統(tǒng)中，功耗不僅取決于硬件的設(shè)計，而且還與硬件如何被使用有關(guān)，而后者則是由系統(tǒng)軟件來控制的。
圖1：IAR Systems的C-SPY調(diào)試器能夠在不同的視圖中顯示靜態(tài)和動態(tài)的功耗數(shù)據(jù)。 功耗調(diào)試技術(shù)基于對功耗進行采樣，并建立每個采樣數(shù)據(jù)與程序的指令序列(以及源代碼)之間的關(guān)聯(lián)。其中的難點之一在于實現(xiàn)高精度的采樣。理想情況下，對功耗的采樣頻率應該與系統(tǒng)時鐘相同，但系統(tǒng)中的電容性元件會降低此類測量的可靠性。從軟件工程師的角度來看，更感興趣的是功耗與源代碼以及程序運行期間的各種事件之間的聯(lián)系，而非個別的指令，因此所需的采樣分辨率將大大低于對每個指令進行采樣的頻率。 對功耗的測量由調(diào)試工具完成。例如，IAR Embedded Workbench所支持的調(diào)試工具是IAR J-Link Ultra。它能夠測量芯片的供電電源經(jīng)過一個串聯(lián)小電阻之后的壓降，見圖2。該壓降是使用差分放大器進行測量，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣的。
圖2：IAR J-Link Ultra能夠測量芯片的供電電源經(jīng)過一個串聯(lián)小電阻之后的壓降。 要提高功耗調(diào)試的精確性，關(guān)鍵在于建立指令跟蹤與功耗采樣之間的良好關(guān)聯(lián)。最佳的關(guān)聯(lián)僅當能夠進行完全的指令跟蹤時才能實現(xiàn)，但其缺點在于并非所有芯片都能支持這一功能；即便支持，也通常需要特殊的調(diào)試工具。 要在較低的精確性下達到較好的關(guān)聯(lián)度，可以使用一些現(xiàn)代片上調(diào)試架構(gòu)所支持的PC采樣功能。該功能周期性地對PC進行采樣，并給出每個采樣的時間戳。與此同時，調(diào)試工具使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對芯片的功耗進行采樣。通過比對功耗采樣值和PC采樣值的時間戳，調(diào)試器就能夠在同一根時間軸上顯示功耗數(shù)據(jù)以及中斷紀錄、變量監(jiān)控等圖形，并且將功耗數(shù)據(jù)與源代碼關(guān)聯(lián)起來，見圖3。
圖3：PC和功耗采樣校正。 一般來說，功耗優(yōu)化與速度優(yōu)化是非常相似的。一個任務運行得越快，低功耗模式持續(xù)的時間就能越長。因此，將處理器的空閑時間最大化可以降低系統(tǒng)的功耗。 想要找出系統(tǒng)中不必要的能耗以及在何處能夠降低這些能耗是有難度的。通常它們并非源代碼中顯而易見地暴露出來的缺陷，而更多地存在于對硬件使用方式的調(diào)整之中。 等待設(shè)備的狀態(tài) 一個導致不必要能耗的常見錯誤是使用輪詢來等待某個外設(shè)狀態(tài)的改變。下面的例子中，代碼一直不中斷地運行，直到狀態(tài)變量變?yōu)轭A期的值。 while (USBD_GetState() < USBD_STATE_CONFIGURED); while ((BASE_PMC->  MC_SR & MC_MCKRDY) != PMC_MCKRDY); 另一種類似的代碼是在for或while循環(huán)中實現(xiàn)軟件延時，例如： i = 10000; // SW Delay do i--; while (i != 0); 這段代碼使得CPU一直忙于執(zhí)行除了計時之外沒有任何作用的指令。 在上述這些情況中，可以通過改寫代碼來降低功耗。延時最好是通過硬件定時器來實現(xiàn)。CPU在設(shè)置好定時器中斷之后就可以進入低功耗模式直到被中斷喚醒。同樣，對外設(shè)狀態(tài)的輪詢?nèi)粲锌赡芤矐撏ㄟ^中斷來解決，或者使用定時器中斷從而使得CPU在兩次輪詢之間可以進入休眠。 DMA vs polled I/O 傳統(tǒng)上，DMA被用于提高傳輸速度。在某些架構(gòu)中，CPU即使在DMA傳輸過程中也可以進入休眠模式。功耗調(diào)試使得開發(fā)者能夠試驗并通過調(diào)試器看到與傳統(tǒng)由CPU驅(qū)動的傳輸方式相比，DMA技術(shù)所帶來的效果。 低功耗模式 很多嵌入式應用都把大多數(shù)時間花費在等待某些事件發(fā)生。如果處理器在空閑時仍然全速運行，電池的壽命將在幾乎未作任何事情的情況下被消耗。所以在很多應用中，處理器僅在總計很少的時間里才被激活。通過將處理器在空閑時間里置于低功耗模式，電池的壽命將得到數(shù)量級的延長。 一個好的方式是使用RTOS和面向任務的設(shè)計。可以定義一個最低優(yōu)先級，僅當沒有任何其他任務需要運行時才會被運行的任務。這個空閑任務將是實現(xiàn)功耗管理的理想場所。在實踐中，當空閑任務每次被激活時，都將處理器(或其部份)置于(可能的)多種低功耗模式之一。 CPU頻率 理論上，CMOS MCU的功耗可由以下公式得出： P = f x U^2 x k 上式中的f是時鐘頻率，U是供電電壓，k是數(shù)。 功耗調(diào)試使得開發(fā)者能夠驗證功耗與時鐘頻率之間的關(guān)系。運行在50MHz且?guī)缀醪恍菝叩南到y(tǒng)，當運行在100MHz時將在休眠模式下消耗約50%的時間。調(diào)試器中的功耗數(shù)據(jù)使得開發(fā)者能夠檢驗所期望的行為，以及當如果存在與時鐘頻率的非線性關(guān)系時，選擇功耗最低的工作頻率。 中斷處理 圖4顯示了一個事件驅(qū)動系統(tǒng)的功耗示意圖，其在t0時處于非激活模式，消耗的電流為I0。在t1時系統(tǒng)被激活且電流上升為I1，對應于系統(tǒng)在激活模式下且有一個外設(shè)被使用時的功耗。在t2時，程序的運行被一個更高優(yōu)先級的中斷所掛起。已經(jīng)被激活的外設(shè)沒有被關(guān)閉，雖然高優(yōu)先級的線程中并未用到它們。更多的外設(shè)被新的線程所激活，導致電流在t2和t3之間升高為I2。在t3時，控制權(quán)重又回到低優(yōu)先級的線程。
圖4：顯示了一個事件驅(qū)動系統(tǒng)的功耗示意圖。 該系統(tǒng)的功能可以非常出色，并且能夠在運行速度和代碼尺寸兩方面進行優(yōu)化。然而在功耗方面，還有更多的優(yōu)化可以實現(xiàn)。圖中黃 色的區(qū)域表示如果在t2和t3之間關(guān)閉不需要的外設(shè)，或者對調(diào)這兩個線程的優(yōu)先級，所能夠節(jié)省的能量。 使用功耗調(diào)試，能夠更容易地發(fā)現(xiàn)當中斷發(fā)生時功耗的額外上升，并將其標識為異常。 查找有沖突的硬件初始化 為了避免輸入端浮動，在通常的設(shè)計中會將未使用的MCU I/O管腳接地。如果軟件錯誤地將某個接地管腳配置為輸出邏輯“1”，高達25mA的電流會流向該管腳。這種非期望的高電流在功耗采樣圖形上很容易觀測到；同時還可以通過觀察系統(tǒng)啟動過程中的圖形來查找相關(guān)的初始化錯誤代碼。 模擬干擾也可能對功耗調(diào)試產(chǎn)生影響。模數(shù)混合電路板有其自身的特性。板級的布局和走線對于抑制模擬噪聲、保證對低電平模擬信號的精確采樣十分重要。良好的混合信號電路需要對硬件進行仔細的考量和認真的設(shè)計。 總結(jié) 功耗調(diào)試使得嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者能夠深入了解他們的應用，并發(fā)現(xiàn)程序的代碼對功耗有何影響。基于這些信息，可以通過調(diào)整和優(yōu)化源代碼以最大限度地降低功耗。使用這種方法，工程師們能夠確保他們的設(shè)計已經(jīng)盡可能地節(jié)省能量，而又不會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利的影響。 作者：Lotta Frimanson and Anders Lundgren, Product Marketing, IAR Systems |
