精確的測量是優(yōu)化能源效率的第一步，同時將盡可能多的數(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量。

要準確測量能耗，需要比簡單的安培計更有能力的設(shè)備。因為安培計在電流不斷變化的情況下無法顯示準確的測量數(shù)字。

功率分析儀價格昂貴，但也有替代方案

如果您有一個積分時間很長的萬用表，那么就可以做到在不斷變化的電流下顯示正確的結(jié)果，但積分時間必須長于您要測量的多個周期。最好的選擇仍然是專門為進行這種測量而設(shè)計的功率分析儀。大型實驗室儀器供應(yīng)商通常會有一個高分辨率、高精度的分析儀，但它們相當昂貴，高達1萬美元。

許多低功耗MCU供應(yīng)商已經(jīng)提供了低成本的解決方案，允許開發(fā)人員在開發(fā)階段使用。這些設(shè)備無法提供與實驗室工具相同的精度，但可以將誤差百分比降到個位數(shù)，這足以準確地得出合理的能耗和電池續(xù)航估計數(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)也無法像專用硬件模塊那樣高效。 嵌入式系統(tǒng)的一個常見情況是需要執(zhí)行各種小型任務(wù)，其他時間只是等待。如果您使用CPU來處理這個問題，那么您有兩個基本的選擇。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，第一個選項將消耗大量的電量，而沒有做什么有用的事情。在等待時降低時鐘速度將改善這一點，但這將降低工作時的效率，因為CPU在全速運行時通常效率最高。使用第二種方法將導致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，仍然會損失一些電量和時間。

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)需要處理時才喚醒CPU，這將極大地提高功效。

找到合適的平衡點

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之間進行選擇非常重要。在更現(xiàn)代的MCU正通過增加硬件加速功能來改善功耗。

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

而沒有硬件加速功能的系統(tǒng)，其CPU通常會一直運行以控制無線電模塊，從而導致能耗增加。這也意味著，由于相同的作業(yè)需要更多的時間，峰值功耗較低的系統(tǒng)可能會有更高的總體能耗。

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

新型基準測試：幫助您在復雜因素影響下進行功耗評估

專用硬件以及CPU調(diào)度策略都會影響功耗的評估，這種復雜性的增加催生了新型的基準測試（Benchmarking）。例如，EEMBC 是一個基準測試領(lǐng)域的行業(yè)聯(lián)盟，他們原本多年來一直也在領(lǐng)導著Coremark Benchmark，也就是大家常說的 CPU (中央處理器)性能基準測試。Coremark被廣泛用于測試CPU性能，但它只測試性能。

最近，EEMBC(嵌入式微處理器基準測試聯(lián)盟)公布了更多與功耗相關(guān)的基準。ULPMark Core profile的目標是低功耗應(yīng)用，這些應(yīng)用會在運行時穿插低功耗模式。這一基準測試正通過ULPMark-PeripheralProfile進行擴展，外設(shè)將被用來模擬一個更完整的系統(tǒng)。還有一個IoTMark基準測試正在進行中，其中將添加無線連接來模擬終端節(jié)點。

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

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)計的存在，單純使用數(shù)據(jù)表中標注的電流mA值來評估功耗已經(jīng)變得越來越困難。如果有人告訴您可以這樣做，那就要小心了！您可能會發(fā)現(xiàn)，要么設(shè)備沒有優(yōu)化到應(yīng)有的程度，要么您沒有被告知完整的故事。

審核編輯 黃宇