1.5 軟件低功耗設計

軟件可以區分為“系統軟件”、“實時操作系統”和“應用軟件”。軟件對于一個低功耗系統的重要性常常被人們忽略。一個重要的原因是，軟件上與功耗設計有關的缺陷并不像硬件那樣容易發現，同時軟件的低功耗特性也沒有一個嚴格的標準來判斷。而對于一個低功耗系統設計，設計者必須注意軟件的低功耗設計方法，盡可能避免那些“看不見”的功耗損失。

1.5.1 編譯優化

在微處理器執行的程序中，每一條指令都將激活微處理器中的某些硬件部件。因此，可以認為每一條指令都有一個固定的功率消耗量，正確選擇指令可以降低微處理器的功耗。通過建立特定處理器架構下指令集的功耗信息，采用“減少跳轉的指令重排序”等方法，可以有效地優化軟件的低功耗設計。

編譯器的作用是將由高級語言（如C/C++等）編寫的程序，翻譯成能夠在目標機上執行的程序。編譯器為高級語言程序員提供了一個抽象層，使得程序員能夠不用匯編或機器語言，而直接采用高級語言代碼編寫解決實際問題的程序。同時，編譯器也使得程序的可讀性和可維護性得到保證，可以提高軟件開發的效率。另外，當需要將程序移植到新的目標機時，也只需要采用相應的編譯器對程序進行重新編譯，而不必重新編寫程序。

但在某些情況下，編譯器的一些做法是以犧牲程序的執行能力為代價的，即需要增加執行的指令數。因此，通過對編譯器的優化，生成效率更高的代碼，可以有效地降低微處理器的功耗。

1.5.2 指令排序

對于一個微處理器，執行某一特定程序的功耗為

E=P×t （1.8）

式中，P=I×VDD（I為平均電流，VDD為微處理器的電源電壓）；t為程序的執行時間（t=N×T，T為指令周期，即為主頻的倒數，N為程序執行的周期數）。

因此有

E=（I×VDD）×（N×T） （1.9）

由式（1.9）可見，當VDD和T都是已知量時，程序消耗的電能E與電流I和程序周期數N的乘積成正比。

可以通過建立一定的模型來測量并估計執行每條指令所需要的電流I。在一個嵌入式系統中，可以利用嵌入式微處理器中的多數據存儲區域的特性，實現數據的并行處理，通過對指令的排序，減少指令的執行周期，從而達到降低功耗的目的。

現假設需要完成圖1.15（a）所示的運算，圖1.15（b）所示是其相應的匯編代碼。圖1.15（c）所示為每個節點帶有兩個權值的數據依賴圖（DataDependenceGraph，DDG），第一個權值表示節點在DDG中的深度，如V10的第一個權值為1，V0的第一個權值為6。假設這個權值越大，表示其優先級越高，如圖1.15（c）中V0和V1具有最高的優先級。

指令排序前節點的執行順序見表1.9。注意，表中V2（ADD）、V6（ADD）和V9（MPY）的指令與其他指令（MOVE）不同，ADD和MPY指令需要用到系統的ALU部件。在同一指令周期中，可以同時執行ALU運算及MOVE操作，但是不可以同時執行兩個ALU操作。

表1.9 指令排序前節點的執行順序

節點的第二個權值，表示相關寄存器的生命周期。指令排序前的狀態如圖1.16所示，V0所依賴的寄存器是r0，它的生命周期為1到3，即為2。從圖1.16中可以得出以下結論：此段程序總共需要11個指令周期和最少同時使用2個寄存器。

基于排序算法，將指令重新排序后的情況如圖1.17所示，程序總的執行周期變為6，但是所占用的寄存器個數增加到3。由此也可以看到，程序的執行周期與寄存器的個數之間也是一個折中權衡的結果。

可以通過建立一定的模型來測量并估計執行每條指令所需要的電流I。在該示例中，程序執行時所需要的總電流I=780mA。如圖1.16所示，在不使用任何算法的情況，即I總=N×I=11×780（mA）=8580（mA）。在圖1.17中，總的執行周期數為N=6，因此電路消耗的電流為I總=N×I=6×780（mA）=4680（mA）。由此可見，通過使用基于排序算法，減少了程序的執行周期，程序的執行性能得到提高。同時，由E=（I×VDD）×（N×T）可知，N的減少，也大大降低了執行程序的功耗。

優化的算法描述，主要是以減少程序的執行周期為目的，同時考慮到使用盡量少的寄存器。從優化系統的功耗層面上來看，算法的優化也是非常重要的。

1.5.3 常用的降低軟件功耗的方法

采用高效率的算法可以有效地降低功耗，一些常用的方法如下：

（1）用查表的方法代替實時的計算，盡量減少CPU的運算量。特別是在沒有硬件浮點處理單元的MCU進行浮點處理時，直接用MCU進行浮點處理將會消耗大量的時間。將一些運算的結果預先算好，放在Flash存儲器中，用查表的方法替代實時的計算，減少CPU的運算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。很多微處理器都有快速有效的查表指令和尋址方式，用于優化查表算法。這種處理方法在離散余弦變換和A/D數據采集中能夠帶來可觀的效率提升。

（2）對于不可避免的實時計算，應注意計算的精度，算到精度夠了就應立即結束，避免“過度”的計算。在精度允許的情況下，使用簡單函數代替復雜函數作近似運算，也是減少功耗的有效方法。

（3）盡量使用短的數據類型，如盡量使用字符型的8位數據替代16位的整型數據。

（4）盡量使用分數運算而避免浮點數運算等。

（5）用移位運算代替乘除法運算。采用MCU計算乘除法也是非常耗時的，如果采用左移和右移的辦法來實現乘除法運算，將會減少運算時間。注意，除法的移位計算只能針對除數比較特殊的情況。

（6）采用快速算法。在搜索算法中，使用二分搜索算法和分段查找算法的效率是不同的。從理論上可以估算，在1024個測量值的查找中，二分搜索最壞情況下10次可以查找到結果，順序搜索最壞可能需要1024次。這在測量數值更多的情況下更為突出，一個高效率的查找算法有助于減小程序運行功耗。

（7）數字信號處理中的運算，采用FFT和快速卷積等，可以節省大量運算時間。

（8）一個程序使用中斷方式還是查詢方式，對于很多應用來說并不那么重要，但在軟件低功耗設計特性上卻相差甚遠。例如，ADC在采集少量的數據時，MCU讀取A/D轉換數據可以采用查詢方式或中斷方式。查詢方式和中斷方式的低功耗特性相差甚遠。使用中斷方式，MCU可以什么都不做，甚至可以進入待機或停止模式。而采用查詢方式，MCU必須不停地讀取I/O端口寄存器，需要消耗很多額外的功耗。

（9）采用定時器。在程序中可以采用軟件延時。但是，如果系統的定時器資源充裕，在需要定時的場合，最好采用硬件定時器，當定時器到了定時時間后，向MCU發出中斷請求信號，這樣可以減少MCU的工作時間，進而可以降低功耗。

（10）用宏代替子程序。在程序執行的過程中，讀RAM需要比讀Flash更大的功耗。宏是在編譯器預處理階段進行替代，而在子程序的調用中MCU需要進行現場保護。在一次子程序調用中，因為CPU進入子程序時會首先將當前CPU寄存器推入堆棧（RAM），在離開時又將CPU寄存器彈出堆棧，這樣至少對RAM有兩次操作。對于程序設計來說，調用一個子程序還是一個宏，在程序寫法上并沒有什么不同，但宏會在編譯時展開，CPU只是順序執行指令，避免了調用子程序。唯一的問題是增加了代碼的長度（代碼量）。目前，MCU片內的Flash空間越來越大，對于一些不在乎程序代碼量大一些的應用，用宏代替子程序無疑可以降低系統的功耗。