低功耗休眠喚醒之三級(jí)環(huán)形架構(gòu)

，

Gekko japonicus（節(jié)能的動(dòng)物）

前言

preface

無線通信技術(shù)相關(guān)應(yīng)用中，用戶體驗(yàn)一直是用戶關(guān)系的重點(diǎn)。無線通訊距離近一點(diǎn)，通訊速度慢一點(diǎn)，這都不是致命的問題，在某些場合下是完全可以接受的，甚至本身就是項(xiàng)目的技術(shù)需求；但是有一些設(shè)計(jì)缺陷卻會(huì)嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)的，一旦大面積的出現(xiàn)，基本上可以判定為產(chǎn)品失敗了；總結(jié)起來，大家都無法忍受的問題主要是下述兩個(gè)：

（1）通訊失敗或者數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤

（2）電池消耗快，很快沒電

01

業(yè)內(nèi)問題

Industry issues

在絕大部分用戶的心目中，無線通訊本身就不如有線通訊技術(shù)穩(wěn)定，如果一款產(chǎn)品還經(jīng)常傳輸失敗，試問用戶會(huì)對(duì)這款產(chǎn)品有信心嗎？

無線產(chǎn)品配合上電池供電，才能充分發(fā)揮無線技術(shù)可以隨意移動(dòng)的優(yōu)勢(shì)，因此很多的無線產(chǎn)品經(jīng)常和低功耗或電池供電有非常緊密的聯(lián)系；一旦這個(gè)產(chǎn)品電池消耗很快，那么必然將是其便攜性，移動(dòng)性大打折扣。

當(dāng)然，在理論設(shè)計(jì)上產(chǎn)品的電池壽命肯定是非常長的，但是真正實(shí)現(xiàn)起來卻比較困難，很多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)電池壽命有 5 年之久，但是現(xiàn)場運(yùn)行不到一年，甚至幾個(gè)月就完全沒電了，這種問題的發(fā)作經(jīng)常沒有任何規(guī)律，測(cè)試時(shí)間上又以年/月為單位，且呈現(xiàn)出偶發(fā)特性，定位起來極其困難，困擾了不少的無線通訊技術(shù)工程師，被認(rèn)為是業(yè)界的重要難題之一。

02

技術(shù)難點(diǎn)

Technical difficulties

其實(shí)電池快速耗電和通訊不穩(wěn)定說到底都是軟件設(shè)計(jì)，特別是軟件架構(gòu)方面的設(shè)計(jì)問題；軟件架構(gòu)上的不完整或混亂，導(dǎo)致射頻芯片的控制不準(zhǔn)確甚至部分狀態(tài)失去控制才是問題的源頭。既然大家都認(rèn)為功耗的管理是一個(gè)難題，那么到底難在哪些環(huán)節(jié)呢？

（1）產(chǎn)品的低功耗休眠喚醒設(shè)計(jì)，存在系統(tǒng)業(yè)務(wù)和應(yīng)用層業(yè)務(wù)兩種：在系統(tǒng)層面講，主要有OTA無線升級(jí)、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程控制（無線I/O）等；在應(yīng)用層中則是回調(diào)機(jī)制、關(guān)閉端口上拉、檢測(cè)用戶按鍵、關(guān)閉工作指示燈等。系統(tǒng)層內(nèi)容屬于整個(gè)產(chǎn)品的軀干和骨架，通常需要交給經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師負(fù)責(zé)，因?yàn)樯婕熬艿囊?guī)則和龐大的算法問題，需要較為強(qiáng)大的抽象能力和全面的視角。而應(yīng)用層則是面向用戶的，體現(xiàn)在軟件部分則相對(duì)比較簡單。

（2）系統(tǒng)存在多種喚醒源：如UART、GPIO、RTC、Timer等，這些喚醒源中斷方式和清除規(guī)則略有不同，但是進(jìn)入和退出休眠需要遵循相同的路徑，因此其控制邏輯需要做一定的抽象化設(shè)計(jì)，具有一定的挑戰(zhàn)。

（3）基于RTC定時(shí)器的后臺(tái)背景活動(dòng)：某些延遲操作，比如開啟一個(gè) LED 指示燈，十秒之后關(guān)閉，此時(shí)如果處理器全速運(yùn)行就為了運(yùn)行這一功能，是不太經(jīng)濟(jì)的；通常是設(shè)置一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志，然后啟動(dòng)RTC定時(shí)器，并將處理器切入休眠狀態(tài)，計(jì)時(shí)的時(shí)間到了之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)RTC中斷，處理器可以在這種中斷到達(dá)的時(shí)候關(guān)閉這個(gè)LED 指示燈。類似這些延遲操作，往往還會(huì)和其他的業(yè)務(wù)狀態(tài)交織在一起，控制邏輯需要精確設(shè)計(jì)，稍有不慎就會(huì)失去控制。

（4）被未知的電磁波干擾，吵醒，誤喚醒等假喚醒行為：無線電波由于空間開放的特性，其喚醒動(dòng)作往往伴隨著少量的模擬特性，偶爾會(huì)被一些未知的信號(hào)給誤觸發(fā)，處理器被喚醒之后，需要對(duì)喚醒后的實(shí)時(shí)參數(shù)做一些分析計(jì)算，對(duì)喚醒源進(jìn)行甄別篩選，如果不是有效的喚醒，需要提前終止業(yè)務(wù)邏輯。

（5）存在多種不同模式的睡眠深度的低功耗模式：處理器通常支持多種不同的睡眠深度，對(duì)應(yīng)不同的功耗等級(jí)。不同睡眠模式下，處理器可以激活的外設(shè)不一樣的，在喚醒之后，有些外設(shè)需要再次初始化之后才可以重新投入工作，只有深入了解處理器的工作特性，才能控制好處理器不同睡眠模式的切換工作。

（6）雙芯片模式（獨(dú)立的無線通訊模塊）模式和單芯片模式（協(xié)議棧和應(yīng)用層業(yè)務(wù)運(yùn)行在一個(gè)芯片上），需要統(tǒng)一的編程接口。如果維持兩套不同的編程接口，代碼分支龐大不說，還很容易產(chǎn)生歧義，為后續(xù)的產(chǎn)品維護(hù)和架構(gòu)升級(jí)帶來困難。

綜合以上難點(diǎn)，需要解決如此復(fù)雜的功耗控制要求，必須分而治之，采用分層的控制策略；行之有效的解決方案就是如下的內(nèi)-中-外，三級(jí)環(huán)形架構(gòu)。

03

WiMi-net的三級(jí)環(huán)形架構(gòu)

Three-level circular architecture

01

主

體

圖

Main body diagram

上圖是一個(gè)電子價(jià)簽的主程序框架。可以看出該程序主要分為三個(gè)主線程，分別是協(xié)議棧的主線程；低功耗休眠與喚醒的主線程與墨水屏應(yīng)用業(yè)務(wù)的主線程。這三個(gè)主線程在同一個(gè)層級(jí)平行運(yùn)行，具有相同的調(diào)度優(yōu)先級(jí)。

局放圖

Partial layout

02

局

放

圖

Partial layout

我們將低功耗休眠與喚醒的主線程做局部放大，如上所示。

圖中的三級(jí)環(huán)架構(gòu)是休眠喚醒管理模塊的核心，是整個(gè)休眠喚醒功能的局部放大。如圖所示，由內(nèi)環(huán)、中環(huán)、外環(huán)，三部分構(gòu)成。因?yàn)榭紤]到在無線通信中，各種事件的復(fù)雜程度及其處理方式，分為以上三環(huán)。最內(nèi)部一環(huán)主管電磁波喚醒，中層環(huán)主管GPIO喚醒、RTC喚醒、UART喚醒，最外層環(huán)則啟動(dòng)了整個(gè)協(xié)議棧以及業(yè)務(wù)層，面向用戶進(jìn)行交互。

三級(jí)環(huán)的目的突出的是分層做事原則。在內(nèi)環(huán)中只進(jìn)行電磁波喚醒的工作，這里主要有三部分，查詢中斷、分析中斷狀態(tài)、無線電波處理。當(dāng)信號(hào)到達(dá)這一環(huán)，會(huì)根據(jù)信號(hào)類型分析是否進(jìn)行無線電波的喚醒處理。

如果不是無線電波喚醒，則跳出該層，進(jìn)入中環(huán)處理。這里的信號(hào)類型分析和處理是根據(jù)不同事件、不同時(shí)刻產(chǎn)生的耦合性而定的。

在中環(huán)，GPIO 喚醒是特定產(chǎn)品的喚醒模式；RTC 喚醒通常用于一些低優(yōu)先級(jí)的后臺(tái)任務(wù)，比如檢測(cè)是否漏電或者執(zhí)行一些延遲 I/O 操作；UART串口喚醒則是針對(duì)用戶處理器。

外環(huán)則是面向用戶的層級(jí)，如需要啟動(dòng)主程序固件升級(jí)或者業(yè)務(wù)邏輯，比如墨水屏的刷新屏幕顯示內(nèi)容等，則程序會(huì)被全面喚醒，此時(shí)就在外環(huán)中進(jìn)行。

04

環(huán)形架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)

The advantages of circular architecture

由外環(huán)、中環(huán)到內(nèi)環(huán)，視覺效果方面是越來越小的，越來越縮放的。自然在功能性方面也是越來越小，越來越簡潔的過程。三級(jí)環(huán)從外到內(nèi)，能做的“事”就越來越少，體現(xiàn)在軟件代碼方面就是，代碼更少，功能性更加單一，邏輯更加清晰，運(yùn)行更穩(wěn)定。從而更加節(jié)省功耗。

為什么功耗更加節(jié)約？將電磁波喚醒獨(dú)立拆分，做成了獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)，是出于這樣的考慮的。當(dāng)信號(hào)指令到達(dá)三級(jí)環(huán)，內(nèi)環(huán)首先進(jìn)行判定，是否需要電磁波喚醒，判定是，就進(jìn)行電磁波喚醒；判定不是，則跳入中環(huán)選擇喚醒類別，內(nèi)環(huán)進(jìn)入休眠。

考慮到事件的復(fù)雜性、多樣性，需要從不同屬性、不同時(shí)間等多角度考量休眠喚醒的執(zhí)行，通俗點(diǎn)說就是“跟我相關(guān)起來干活，跟我無關(guān)繼續(xù)睡覺”，這樣的三級(jí)環(huán)設(shè)計(jì)針對(duì)性很強(qiáng)，在需要單一模式喚醒時(shí)，只需要調(diào)動(dòng)少數(shù)軟件資源和內(nèi)部耗能就可以完成，完成相關(guān)作業(yè)后繼續(xù)休眠，等待下一輪指令喚醒。從而這樣的三級(jí)環(huán)設(shè)計(jì)是一款更加節(jié)約功耗的方案。

05

回調(diào)函數(shù)

Callback

//*****************************************************************************
//DesignNotes:
//-----------------------------------------------------------------------------
charOnHostWakeup_Request(unsignedchariStatus,chariCause,chariReqAck)
{
unsignedchariRetVal;

//Thecallbackstatus
switch(iStatus)
{
caseWIMINET_SLEEP_CALL_INIT:
{
OnWakeupRequest_Init(iCause,iReqAck);
}
break;

caseWIMINET_SLEEP_CALL_OPEN:
{
OnWakeupRequest_Open(iCause,iReqAck);
}
break;

caseWIMINET_SLEEP_CALL_WORK:
{
OnWakeupRequest_Work(iCause,iReqAck);
}
break;

caseWIMINET_SLEEP_CALL_STOP:
{
OnWakeupRequest_Stop(iCause,iReqAck);
}
break;

default:
{
iRetVal=0X00;
}
break;
}

//Thereturnstatus
returniRetVal;
}

上圖是一個(gè) SoC 產(chǎn)品方案，回調(diào)函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)樣本，通常需要實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)剛剛喚醒”，“已經(jīng)完成初始化”，“執(zhí)行用戶任務(wù)”，“即將進(jìn)入休眠”等幾個(gè)重要的通知時(shí)刻：

系統(tǒng)剛剛喚醒：系統(tǒng)運(yùn)行在三級(jí)環(huán)的內(nèi)環(huán)，處理器剛剛被中斷喚醒，需要啟用系統(tǒng)層級(jí)別的外設(shè)，比如 SPI 總線等；

已經(jīng)完成初始化：系統(tǒng)已經(jīng)切換至三級(jí)環(huán)的外環(huán)，控制權(quán)準(zhǔn)備釋放給用戶程序，通常在此時(shí)初始化用戶任務(wù)；

執(zhí)行用戶任務(wù)：系統(tǒng)運(yùn)行在三級(jí)環(huán)的外環(huán)，此時(shí)協(xié)議棧程序也在同層級(jí)平行運(yùn)作，用戶程序執(zhí)行完了之后，需要釋放控制權(quán)給系統(tǒng)，通知系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式

即將進(jìn)入休眠：系統(tǒng)運(yùn)行在三級(jí)環(huán)的中環(huán)，所有的數(shù)據(jù)都已經(jīng)發(fā)送完畢或者超時(shí)終止，即將重新進(jìn)入睡眠模式，通知用戶關(guān)閉外設(shè)，執(zhí)行任務(wù)的清理或者重置工作。

對(duì)于不太復(fù)雜的系統(tǒng)，通常僅僅需要實(shí)現(xiàn)上述四個(gè)通知的回調(diào)函數(shù)即可，其余的通知可以不做處理器；對(duì)于更加復(fù)雜的系統(tǒng)，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)其他更多的回調(diào)通知。

06

真機(jī)運(yùn)行對(duì)比圖

Comparison diagram of real machine operation

其他廠家真機(jī)運(yùn)行圖

01

其他廠家真機(jī)運(yùn)行典型功耗：4 秒喚醒周期、平均功耗 20.53 μA

WiMinet真機(jī)運(yùn)行圖

02

WiMinet真機(jī)運(yùn)行典型功耗：1 秒喚醒周期、平均功耗 7.15 μA

在真機(jī)運(yùn)行圖中，我們可以清楚地看到，WiMinet的真機(jī)運(yùn)行圖信號(hào)波紋更加密集，整體看起來更加規(guī)律。由真機(jī)對(duì)比圖可知，WiMinet采用三級(jí)換架構(gòu)的真機(jī)運(yùn)行圖實(shí)時(shí)性是其他廠家的4倍，同時(shí)功耗僅為其他廠家的1/3。

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