在我的上一篇文章中，“你能走多低（功率）？”，我們研究了微控制器中可用的幾種不同低功耗模式，以及這些低功耗模式如何影響能耗和喚醒時(shí)間。低功耗模式是降低微控制器能耗的主要技術(shù)之一，但它并不是開發(fā)人員可用的唯一技術(shù)。在這篇文章中，我們將研究我最喜歡的五種降低微控制器能耗的技術(shù)。

技巧 #1 – 利用 DMA 控制器

在微控制器中，CPU 通常是使用最多電流的耗電設(shè)備。外圍設(shè)備肯定會(huì)導(dǎo)致能耗，尤其是在有 USB 或以太網(wǎng)控制器的情況下，但優(yōu)化設(shè)備能耗的第一步是盡可能長(zhǎng)時(shí)間地將 CPU 保持在最低狀態(tài)。應(yīng)用程序?qū)⑿枰ㄆ趩拘岩砸苿?dòng)數(shù)據(jù)，例如從 UART 接收字節(jié)并將它們存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中。避免不斷喚醒 CPU 以處理移動(dòng)數(shù)據(jù)的一種方法是使用直接內(nèi)存訪問 (DMA) 控制器。

DMA 允許開發(fā)人員讓他們的 CPU 保持睡眠狀態(tài)，而是使用低功耗外設(shè)來完成 CPU 本來可以做的事情，在微控制器周圍移動(dòng)數(shù)據(jù)。DMA 控制器可用于多種用途，例如：

將數(shù)據(jù)從外設(shè)移動(dòng)到內(nèi)存

將數(shù)據(jù)從內(nèi)存移動(dòng)到另一個(gè)內(nèi)存位置

將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到外設(shè)

關(guān)于如何設(shè)置 DMA 的細(xì)節(jié)因微控制器而異，但好處是 CPU 可以保持在低功耗狀態(tài)，直到它需要實(shí)際喚醒并處理已由 DMA 傳輸?shù)臄?shù)據(jù).

技巧 #2 – 使用時(shí)鐘節(jié)流

您可能從微控制器課程或在線閱讀中回憶起微控制器的能耗取決于時(shí)鐘頻率。頻率越高，能量消耗越高。應(yīng)用程序不一定總是需要全速運(yùn)行。事實(shí)上，根據(jù)需要做的事情來限制時(shí)鐘可能是一種有效的技術(shù)，可以最大限度地減少消耗的能量。

以下面的圖 1 為例，它顯示了 NXP Kinetis-L 微控制器中運(yùn)行模式電流與內(nèi)核頻率的關(guān)系。從這個(gè)圖中，讀者可以看到，降低時(shí)鐘頻率會(huì)降低能耗。還可以看出，禁用未使用的外圍設(shè)備如何影響微控制器消耗的能量。

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圖 1 – 微控制器電流消耗作為內(nèi)核時(shí)鐘頻率的函數(shù)。（來源：NXP Kinetis-L 數(shù)據(jù)表）

確切何時(shí)以及如何限制時(shí)鐘頻率完全取決于應(yīng)用程序。某些應(yīng)用程序可能仍希望始終全速運(yùn)行。在其他情況下，可以將頻率從最大值減半并以這種方式運(yùn)行該部分。在其他情況下，根據(jù)應(yīng)用程序正在執(zhí)行的操作動(dòng)態(tài)更改時(shí)鐘可能是有意義的。請(qǐng)注意，如果您決定動(dòng)態(tài)使用時(shí)鐘節(jié)流，您可能還需要?jiǎng)討B(tài)更改外設(shè)寄存器設(shè)置以補(bǔ)償更改。

技巧#3——利用編譯器優(yōu)化

現(xiàn)代編譯器提供嵌入式優(yōu)化設(shè)置，可以改善給定代碼的執(zhí)行時(shí)間。例如，大多數(shù)編譯器為開發(fā)人員提供優(yōu)化設(shè)置以執(zhí)行循環(huán)展開和內(nèi)聯(lián)函數(shù)。雖然這只是兩個(gè)示例，但開發(fā)人員可以使用這些技術(shù)來生成執(zhí)行速度更快的代碼。執(zhí)行速度更快的代碼，即使它確實(shí)使用更多代碼空間，也將有機(jī)會(huì)在低功耗模式下花費(fèi)更多時(shí)間，這反過來將減少應(yīng)用程序消耗的能量。

我建議您盡快安排一些時(shí)間來查看您的編譯器手冊(cè)，看看它內(nèi)置了哪些功能來幫助您更快地執(zhí)行代碼。雖然看起來節(jié)省幾十個(gè)時(shí)鐘周期似乎沒什么大不了的。在數(shù)周甚至數(shù)月的過程中，這些時(shí)鐘周期可以很快加起來。

技巧 #4 – 利用低功耗 (LP) 外設(shè)

如果您仔細(xì)閱讀微控制器數(shù)據(jù)表，您會(huì)注意到專為低功耗操作而設(shè)計(jì)的微控制器通常包含與“標(biāo)準(zhǔn)”外設(shè)分開的低功耗外設(shè)。例如，STM32 微控制器包括一個(gè) LP 定時(shí)器。這是一個(gè)定時(shí)器外設(shè)，不包括所有額外的花里胡哨，但設(shè)計(jì)用于在低功耗環(huán)境中運(yùn)行。在優(yōu)化甚至開始低功耗設(shè)計(jì)時(shí)，注意這些低功耗外圍設(shè)備并加以利用是無需大量額外工作即可降低產(chǎn)品能耗的好方法。

技巧#5——跳出框框思考

有時(shí)您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)您需要真正跳出框框思考以優(yōu)化能源。幾年前，我正在研究一種由電池供電的醫(yī)療產(chǎn)品，每次充電之間必須使用電池供電 12 到 14 小時(shí)。我們選擇了我們需要的電池，然后繼續(xù)設(shè)計(jì)。好吧，工業(yè)設(shè)計(jì)師認(rèn)為電池太大了，在沒有告訴電子或軟件團(tuán)隊(duì)的情況下，他們決定大幅縮小電池尺寸，以便制造出更小、更性感的設(shè)備。該設(shè)備的第一次測(cè)試顯示電池僅持續(xù)約 4 - 5 小時(shí)！

工業(yè)團(tuán)隊(duì)當(dāng)然已經(jīng)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)工具，并且沒有回到更大的電池。唯一的選擇就是瘋狂地優(yōu)化。盡管使用了書中所有可能的優(yōu)化技術(shù)，但我只能讓設(shè)備持續(xù)使用大約 8 小時(shí)。那么，可以做些什么呢？事實(shí)證明，該產(chǎn)品有一個(gè)板載 USB 主機(jī)，它有一個(gè)作為 MSD/CDC 設(shè)備連接的自定義存儲(chǔ)設(shè)備。USB消耗大量能源，如果USB可以在不需要時(shí)關(guān)閉，可以節(jié)省相當(dāng)多的能源。

我們必須跳出框框思考，在啟動(dòng)設(shè)備后，我們將禁用 USB 設(shè)備，關(guān)閉 USB 主機(jī)，當(dāng)需要 USB 設(shè)備時(shí)，我們通過 USB D+ 和 D- 端口發(fā)送一條消息，發(fā)出信號(hào)USB 主機(jī)將重新啟動(dòng)。這是一種瘋狂、丑陋的變通方法，但它成功地將電池壽命延長(zhǎng)到 14 小時(shí)以上。有時(shí)您只需跳出框框思考即可獲得所需的能源效率。

結(jié)論

在這篇文章中，我們研究了一些額外的技術(shù)，開發(fā)人員可以利用這些技術(shù)來最大限度地降低微控制器的能耗。將這些技術(shù)與低功耗模式一起使用可以顯著降低設(shè)備能耗。當(dāng)您致力于優(yōu)化您的微控制器應(yīng)用的能源時(shí)，不要忘記選擇能夠?yàn)槟臅r(shí)間帶來最大收益的技術(shù)。能量?jī)?yōu)化通常會(huì)成為一個(gè)黑洞，每次迭代的時(shí)間投資回報(bào)都會(huì)遞減。
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審核編輯：湯梓紅