低功耗模式了解嗎?大佬帶你看功耗調(diào)試技術(shù)

功耗是我們常關(guān)注的能耗標(biāo)準(zhǔn)之一，低功耗往往能夠帶來(lái)更多的能源節(jié)約以及更好的性能。在這篇文章中，小編將從pwm的兩種控制方法談起，進(jìn)而談?wù)摴恼{(diào)試技術(shù)以及低功耗模式。如果你對(duì)功耗方面的知識(shí)具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、pwm的兩種控制方法

1. 等脈寬PWM法

VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來(lái)的，是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過(guò)改變其周期，達(dá)到調(diào)頻的效果。改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。 相對(duì)于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。

2. 隨機(jī)PWM

在上世紀(jì)70年代開(kāi)始至上世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過(guò)5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PWM方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開(kāi)關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開(kāi)關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值;另一方面則說(shuō)明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)正是提供了一個(gè)分析，解決這種問(wèn)題的全新思路。

二、功耗調(diào)試技術(shù)

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(duì)系統(tǒng)功耗的影響。通過(guò)建立源代碼和功耗之間的聯(lián)系，使得測(cè)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(jì)目標(biāo);然而在實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)中，功耗不僅取決于硬件的設(shè)計(jì)，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(lái)控制的。

功耗調(diào)試技術(shù)基于對(duì)功耗進(jìn)行采樣，并建立每個(gè)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(diǎn)之一在于實(shí)現(xiàn)高精度的采樣。理想情況下，對(duì)功耗的采樣頻率應(yīng)該與系統(tǒng)時(shí)鐘相同，但系統(tǒng)中的電容性元件會(huì)降低此類測(cè)量的可靠性。從軟件工程師的角度來(lái)看，更感興趣的是功耗與源代碼以及程序運(yùn)行期間的各種事件之間的聯(lián)系，而非個(gè)別的指令，因此所需的采樣分辨率將大大低于對(duì)每個(gè)指令進(jìn)行采樣的頻率。

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(dāng)能夠進(jìn)行完全的指令跟蹤時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)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(dá)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(duì)PC進(jìn)行采樣，并給出每個(gè)采樣的時(shí)間戳。與此同時(shí)，調(diào)試工具使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)芯片的功耗進(jìn)行采樣。通過(guò)比對(duì)功耗采樣值和PC采樣值的時(shí)間戳，調(diào)試器就能夠在同一根時(shí)間軸上顯示功耗數(shù)據(jù)以及中斷紀(jì)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(lái)。

一般來(lái)說(shuō)，功耗優(yōu)化與速度優(yōu)化是非常相似的。一個(gè)任務(wù)運(yùn)行得越快，低功耗模式持續(xù)的時(shí)間就能越長(zhǎng)。因此，將處理器的空閑時(shí)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(jiàn)地暴露出來(lái)的缺陷，而更多地存在于對(duì)硬件使用方式的調(diào)整之中。

三、低功耗模式

很多嵌入式應(yīng)用都把大多數(shù)時(shí)間花費(fèi)在等待某些事件發(fā)生。如果處理器在空閑時(shí)仍然全速運(yùn)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(yīng)用中，處理器僅在總計(jì)很少的時(shí)間里才被激活。通過(guò)將處理器在空閑時(shí)間里置于低功耗模式，電池的壽命將得到數(shù)量級(jí)的延長(zhǎng)。

一個(gè)好的方式是使用RTOS和面向任務(wù)的設(shè)計(jì)?？梢远x一個(gè)最低優(yōu)先級(jí)，僅當(dāng)沒(méi)有任何其他任務(wù)需要運(yùn)行時(shí)才會(huì)被運(yùn)行的任務(wù)。這個(gè)空閑任務(wù)將是實(shí)現(xiàn)功耗管理的理想場(chǎng)所。在實(shí)踐中，當(dāng)空閑任務(wù)每次被激活時(shí)，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(shí)鐘頻率，U是供電電壓，k是數(shù)。 功耗調(diào)試使得開(kāi)發(fā)者能夠驗(yàn)證功耗與時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系。運(yùn)行在50MHz且?guī)缀醪恍菝叩南到y(tǒng)，當(dāng)運(yùn)行在100MHz時(shí)將在休眠模式下消耗約50%的時(shí)間。調(diào)試器中的功耗數(shù)據(jù)使得開(kāi)發(fā)者能夠檢驗(yàn)所期望的行為，以及當(dāng)如果存在與時(shí)鐘頻率的非線性關(guān)系時(shí)，選擇功耗最低的工作頻率。

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