精確的測(cè)量是優(yōu)化能源效率的第一步，同時(shí)將盡可能多的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)移到專用硬件模塊可以大大減少電量消耗。這一次，我將研究如何在聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備中優(yōu)化能源效率，第一步就是精確的測(cè)量。

要準(zhǔn)確測(cè)量能耗，需要比簡(jiǎn)單的安培計(jì)更有能力的設(shè)備。因?yàn)榘才嘤?jì)在電流不斷變化的情況下無(wú)法顯示準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)字。

功率分析儀價(jià)格昂貴，但也有替代方案

如果您有一個(gè)積分時(shí)間很長(zhǎng)的萬(wàn)用表，那么就可以做到在不斷變化的電流下顯示正確的結(jié)果，但積分時(shí)間必須長(zhǎng)于您要測(cè)量的多個(gè)周期。最好的選擇仍然是專門(mén)為進(jìn)行這種測(cè)量而設(shè)計(jì)的功率分析儀。大型實(shí)驗(yàn)室儀器供應(yīng)商通常會(huì)有一個(gè)高分辨率、高精度的分析儀，但它們相當(dāng)昂貴，高達(dá)1萬(wàn)美元。

許多低功耗MCU供應(yīng)商已經(jīng)提供了低成本的解決方案，允許開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)階段使用。這些設(shè)備無(wú)法提供與實(shí)驗(yàn)室工具相同的精度，但可以將誤差百分比降到個(gè)位數(shù)，這足以準(zhǔn)確地得出合理的能耗和電池續(xù)航估計(jì)數(shù)據(jù)。

專用硬件模塊

優(yōu)化CPU使用的能耗是提高系統(tǒng)能效的關(guān)鍵一步?，F(xiàn)代CPU非常靈活，通過(guò)編程，您可以讓它做任何您想做的事情，但即使是最高效的CPU架構(gòu)也無(wú)法像專用硬件模塊那樣高效。 嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)常見(jiàn)情況是需要執(zhí)行各種小型任務(wù)，其他時(shí)間只是等待。如果您使用CPU來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題，那么您有兩個(gè)基本的選擇。一種方式是讓CPU任務(wù)之間循環(huán)等待；另一種方式是休眠，只有在需要時(shí)才喚醒執(zhí)行。

由于CPU通常是系統(tǒng)中最耗電的設(shè)備之一，第一個(gè)選項(xiàng)將消耗大量的電量，而沒(méi)有做什么有用的事情。在等待時(shí)降低時(shí)鐘速度將改善這一點(diǎn)，但這將降低工作時(shí)的效率，因?yàn)镃PU在全速運(yùn)行時(shí)通常效率最高。使用第二種方法將導(dǎo)致CPU周期性啟停，這通常是一種更好的方法，但每次必須從低功耗狀態(tài)再次喚醒CPU時(shí)，仍然會(huì)損失一些電量和時(shí)間。

如果能夠在專用硬件上完成所有較小的控制操作，并且只有在有數(shù)據(jù)需要處理時(shí)才喚醒CPU，這將極大地提高功效。

找到合適的平衡點(diǎn)

在使用專用的不靈活但高能效的硬件和更靈活但低能效的CPU之間進(jìn)行選擇非常重要。在更現(xiàn)代的MCU正通過(guò)增加硬件加速功能來(lái)改善功耗。

Nordic nRF系列芯片使用DMA進(jìn)行所有數(shù)據(jù)傳輸，并有一個(gè)稱為PPI的硬件控制系統(tǒng)在硬件模塊之間發(fā)送控制信號(hào)。與無(wú)線電模塊一起使用，你可以在運(yùn)行藍(lán)牙連接時(shí)，讓CPU在大部分時(shí)間處于低功耗模式。

而沒(méi)有硬件加速功能的系統(tǒng)，其CPU通常會(huì)一直運(yùn)行以控制無(wú)線電模塊，從而導(dǎo)致能耗增加。這也意味著，由于相同的作業(yè)需要更多的時(shí)間，峰值功耗較低的系統(tǒng)可能會(huì)有更高的總體能耗。

硬件加速功能可以優(yōu)化CPU的效率，而不是妥協(xié)于在高速運(yùn)行的同時(shí)允許慢操作。您可以允許CPU被喚醒，盡可能快速有效地進(jìn)行計(jì)算，然后回到低功耗模式。

新型基準(zhǔn)測(cè)試：幫助您在復(fù)雜因素影響下進(jìn)行功耗評(píng)估

專用硬件以及CPU調(diào)度策略都會(huì)影響功耗的評(píng)估，這種復(fù)雜性的增加催生了新型的基準(zhǔn)測(cè)試（Benchmarking）。例如，EEMBC 是一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試領(lǐng)域的行業(yè)聯(lián)盟，他們?cè)径嗄陙?lái)一直也在領(lǐng)導(dǎo)著Coremark Benchmark，也就是大家常說(shuō)的 CPU (中央處理器)性能基準(zhǔn)測(cè)試。Coremark被廣泛用于測(cè)試CPU性能，但它只測(cè)試性能。

最近，EEMBC(嵌入式微處理器基準(zhǔn)測(cè)試聯(lián)盟)公布了更多與功耗相關(guān)的基準(zhǔn)。ULPMark Core profile的目標(biāo)是低功耗應(yīng)用，這些應(yīng)用會(huì)在運(yùn)行時(shí)穿插低功耗模式。這一基準(zhǔn)測(cè)試正通過(guò)ULPMark-PeripheralProfile進(jìn)行擴(kuò)展，外設(shè)將被用來(lái)模擬一個(gè)更完整的系統(tǒng)。還有一個(gè)IoTMark基準(zhǔn)測(cè)試正在進(jìn)行中，其中將添加無(wú)線連接來(lái)模擬終端節(jié)點(diǎn)。

由于僅僅讀取數(shù)據(jù)表中的mA數(shù)字不再那么準(zhǔn)確，這些基準(zhǔn)測(cè)試能夠更方便地在低功耗設(shè)備上進(jìn)行同類比較。雖然這樣的基準(zhǔn)測(cè)試是有用的，但基準(zhǔn)測(cè)試解決方案越接近您的實(shí)際應(yīng)用它們的價(jià)值將越高。

一句忠告

最后總結(jié)，由于數(shù)字設(shè)備中的各種低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)的存在，單純使用數(shù)據(jù)表中標(biāo)注的電流mA值來(lái)評(píng)估功耗已經(jīng)變得越來(lái)越困難。如果有人告訴您可以這樣做，那就要小心了！您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，要么設(shè)備沒(méi)有優(yōu)化到應(yīng)有的程度，要么您沒(méi)有被告知完整的故事。

審核編輯 黃宇