1.5 软件低功耗设计

软件可以区分为“系统软件”、“实时操作系统”和“应用软件”。软件对于一个低功耗系统的重要性常常被人们忽略。一个重要的原因是，软件上与功耗设计有关的缺陷并不像硬件那样容易发现，同时软件的低功耗特性也没有一个严格的标准来判断。而对于一个低功耗系统设计，设计者必须注意软件的低功耗设计方法，尽可能避免那些“看不见”的功耗损失。

1.5.1 编译优化

在微处理器执行的程序中，每一条指令都将激活微处理器中的某些硬件部件。因此，可以认为每一条指令都有一个固定的功率消耗量，正确选择指令可以降低微处理器的功耗。通过建立特定处理器架构下指令集的功耗信息，采用“减少跳转的指令重排序”等方法，可以有效地优化软件的低功耗设计。

编译器的作用是将由高级语言（如C/C++等）编写的程序，翻译成能够在目标机上执行的程序。编译器为高级语言程序员提供了一个抽象层，使得程序员能够不用汇编或机器语言，而直接采用高级语言代码编写解决实际问题的程序。同时，编译器也使得程序的可读性和可维护性得到保证，可以提高软件开发的效率。另外，当需要将程序移植到新的目标机时，也只需要采用相应的编译器对程序进行重新编译，而不必重新编写程序。

但在某些情况下，编译器的一些做法是以牺牲程序的执行能力为代价的，即需要增加执行的指令数。因此，通过对编译器的优化，生成效率更高的代码，可以有效地降低微处理器的功耗。

1.5.2 指令排序

对于一个微处理器，执行某一特定程序的功耗为

E=P×t （1.8）

式中，P=I×VDD（I为平均电流，VDD为微处理器的电源电压）；t为程序的执行时间（t=N×T，T为指令周期，即为主频的倒数，N为程序执行的周期数）。

因此有

E=（I×VDD）×（N×T） （1.9）

由式（1.9）可见，当VDD和T都是已知量时，程序消耗的电能E与电流I和程序周期数N的乘积成正比。

可以通过建立一定的模型来测量并估计执行每条指令所需要的电流I。在一个嵌入式系统中，可以利用嵌入式微处理器中的多数据存储区域的特性，实现数据的并行处理，通过对指令的排序，减少指令的执行周期，从而达到降低功耗的目的。

现假设需要完成图1.15（a）所示的运算，图1.15（b）所示是其相应的汇编代码。图1.15（c）所示为每个节点带有两个权值的数据依赖图（DataDependenceGraph，DDG），第一个权值表示节点在DDG中的深度，如V10的第一个权值为1，V0的第一个权值为6。假设这个权值越大，表示其优先级越高，如图1.15（c）中V0和V1具有最高的优先级。

指令排序前节点的执行顺序见表1.9。注意，表中V2（ADD）、V6（ADD）和V9（MPY）的指令与其他指令（MOVE）不同，ADD和MPY指令需要用到系统的ALU部件。在同一指令周期中，可以同时执行ALU运算及MOVE操作，但是不可以同时执行两个ALU操作。

表1.9 指令排序前节点的执行顺序

节点的第二个权值，表示相关寄存器的生命周期。指令排序前的状态如图1.16所示，V0所依赖的寄存器是r0，它的生命周期为1到3，即为2。从图1.16中可以得出以下结论：此段程序总共需要11个指令周期和最少同时使用2个寄存器。

基于排序算法，将指令重新排序后的情况如图1.17所示，程序总的执行周期变为6，但是所占用的寄存器个数增加到3。由此也可以看到，程序的执行周期与寄存器的个数之间也是一个折中权衡的结果。

可以通过建立一定的模型来测量并估计执行每条指令所需要的电流I。在该示例中，程序执行时所需要的总电流I=780mA。如图1.16所示，在不使用任何算法的情况，即I总=N×I=11×780（mA）=8580（mA）。在图1.17中，总的执行周期数为N=6，因此电路消耗的电流为I总=N×I=6×780（mA）=4680（mA）。由此可见，通过使用基于排序算法，减少了程序的执行周期，程序的执行性能得到提高。同时，由E=（I×VDD）×（N×T）可知，N的减少，也大大降低了执行程序的功耗。

优化的算法描述，主要是以减少程序的执行周期为目的，同时考虑到使用尽量少的寄存器。从优化系统的功耗层面上来看，算法的优化也是非常重要的。

1.5.3 常用的降低软件功耗的方法

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）用查表的方法代替实时的计算，尽量减少CPU的运算量。特别是在没有硬件浮点处理单元的MCU进行浮点处理时，直接用MCU进行浮点处理将会消耗大量的时间。将一些运算的结果预先算好，放在Flash存储器中，用查表的方法替代实时的计算，减少CPU的运算工作量，可以有效地降低CPU的功耗。很多微处理器都有快速有效的查表指令和寻址方式，用于优化查表算法。这种处理方法在离散余弦变换和A/D数据采集中能够带来可观的效率提升。

（2）对于不可避免的实时计算，应注意计算的精度，算到精度够了就应立即结束，避免“过度”的计算。在精度允许的情况下，使用简单函数代替复杂函数作近似运算，也是减少功耗的有效方法。

（3）尽量使用短的数据类型，如尽量使用字符型的8位数据替代16位的整型数据。

（4）尽量使用分数运算而避免浮点数运算等。

（5）用移位运算代替乘除法运算。采用MCU计算乘除法也是非常耗时的，如果采用左移和右移的办法来实现乘除法运算，将会减少运算时间。注意，除法的移位计算只能针对除数比较特殊的情况。

（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。从理论上可以估算，在1024个测量值的查找中，二分搜索最坏情况下10次可以查找到结果，顺序搜索最坏可能需要1024次。这在测量数值更多的情况下更为突出，一个高效率的查找算法有助于减小程序运行功耗。

（7）数字信号处理中的运算，采用FFT和快速卷积等，可以节省大量运算时间。

（8）一个程序使用中断方式还是查询方式，对于很多应用来说并不那么重要，但在软件低功耗设计特性上却相差甚远。例如，ADC在采集少量的数据时，MCU读取A/D转换数据可以采用查询方式或中断方式。查询方式和中断方式的低功耗特性相差甚远。使用中断方式，MCU可以什么都不做，甚至可以进入待机或停止模式。而采用查询方式，MCU必须不停地读取I/O端口寄存器，需要消耗很多额外的功耗。

（9）采用定时器。在程序中可以采用软件延时。但是，如果系统的定时器资源充裕，在需要定时的场合，最好采用硬件定时器，当定时器到了定时时间后，向MCU发出中断请求信号，这样可以减少MCU的工作时间，进而可以降低功耗。

（10）用宏代替子程序。在程序执行的过程中，读RAM需要比读Flash更大的功耗。宏是在编译器预处理阶段进行替代，而在子程序的调用中MCU需要进行现场保护。在一次子程序调用中，因为CPU进入子程序时会首先将当前CPU寄存器推入堆栈（RAM），在离开时又将CPU寄存器弹出堆栈，这样至少对RAM有两次操作。对于程序设计来说，调用一个子程序还是一个宏，在程序写法上并没有什么不同，但宏会在编译时展开，CPU只是顺序执行指令，避免了调用子程序。唯一的问题是增加了代码的长度（代码量）。目前，MCU片内的Flash空间越来越大，对于一些不在乎程序代码量大一些的应用，用宏代替子程序无疑可以降低系统的功耗。