嵌入式業(yè)務(wù)軟件設(shè)計(jì)介紹

業(yè)務(wù)軟件設(shè)計(jì)

低功耗從硬件上能夠解決一部分，但單純依靠硬件肯定是不行的，需要軟件的密切配合，才能達(dá)到最好的效果。以上是從硬件驅(qū)動(dòng)層面的，一般情況下都比較關(guān)注，但實(shí)際上軟件業(yè)務(wù)層的靈活性高，發(fā)掘低功耗的效果比硬件低功耗本身的效果更加顯著，通俗地講，底層硬件辛辛苦苦地優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)省的效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如軟件設(shè)計(jì)得好的表現(xiàn)。

從軟件的業(yè)務(wù)邏輯、產(chǎn)品需求方面的設(shè)計(jì)，在功耗方面更有意想不到的效果，軟件功耗優(yōu)化簡(jiǎn)單總結(jié)就是“能睡就睡”。

4.1 任務(wù)周期化

一個(gè)嵌入式產(chǎn)品包括很多子功能、子任務(wù)，一個(gè)應(yīng)用是對(duì)若干服務(wù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)的。這里服務(wù)可以是硬件服務(wù)，比如AD電壓采樣、UART串口通訊，也可以是軟件服務(wù)，比如TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信等。簡(jiǎn)單的功能如CRC校驗(yàn)，純軟件實(shí)現(xiàn)，函數(shù)運(yùn)行立即獲得結(jié)果，對(duì)功耗無(wú)所謂影響；復(fù)雜的功能，盡量使用任務(wù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不是特指操作系統(tǒng)的task或者thread，可以理解為一個(gè)流程，即一個(gè)子功能運(yùn)行的完整過程。一件事有始有終就可以根據(jù)需要循環(huán)反復(fù)，周期運(yùn)行的任務(wù)，明確運(yùn)行的起止時(shí)間點(diǎn)，區(qū)分運(yùn)行與非運(yùn)行狀態(tài)就能更好的優(yōu)化，比如減少運(yùn)行持續(xù)時(shí)間或者其中大電流的時(shí)間段，在功耗方面效果比較明顯。

4.2 休眠自理與協(xié)調(diào)

將整個(gè)嵌入式軟件系統(tǒng)分成了很多周期性工作的小任務(wù)，它們可能是交錯(cuò)的或者毫無(wú)關(guān)系并行的。從本質(zhì)上說(shuō)，每個(gè)小任務(wù)只需關(guān)注自身的起止時(shí)間點(diǎn)。系統(tǒng)的功耗管理就是為每個(gè)任務(wù)的功耗進(jìn)行管理，整體在一個(gè)有效的協(xié)調(diào)方式下才能做到功耗最小?；谌蝿?wù)的功耗管理實(shí)際上分成兩個(gè)部分，微觀角度單任務(wù)自身的功耗管理，和宏觀角度多任務(wù)的休眠協(xié)調(diào)。

從微觀角度來(lái)看，一個(gè)任務(wù)能獨(dú)立完成自己的功能，任務(wù)中所有的步驟都是確定的，都是“自己說(shuō)了算的”，對(duì)外界來(lái)說(shuō)是“黑盒子”，對(duì)低功耗的要求，不外乎以下幾種情形：

（1）、任務(wù)執(zhí)行的過程中不允許休眠，因此任務(wù)的開頭和結(jié)尾處要設(shè)置標(biāo)志，告知協(xié)調(diào)系統(tǒng)，“只要我不同意，就不允許系統(tǒng)休眠”。 （2）、任務(wù)執(zhí)行的過程中，某些階段允許休眠，某些階段不允許休眠；任務(wù)的執(zhí)行過程中，不同階段允許不同的休眠等級(jí)。 （3）、任務(wù)執(zhí)行的過程中，不在乎是否休眠。

三類任務(wù)同時(shí)存在于系統(tǒng)中，第一類任務(wù)是相當(dāng)霸道的，只要它在執(zhí)行，根本不允許休眠；第二類任務(wù)既完成了任務(wù)，又兼顧了休眠；第三類任務(wù)基本上可當(dāng)做空氣無(wú)視。系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能編寫后兩類任務(wù)，避免或者嘗試拆分第一類任務(wù)。

從宏觀角度來(lái)看，任意時(shí)刻可能有多個(gè)任務(wù)同時(shí)在執(zhí)行，每個(gè)任務(wù)對(duì)休眠的需求都是不同的。如果要設(shè)立一個(gè)協(xié)調(diào)機(jī)制，該怎么辦呢？每個(gè)任務(wù)按最低需求，隨時(shí)來(lái)休眠協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)簽到投票，表明自身當(dāng)前能夠容忍的最低功耗對(duì)應(yīng)的休眠等級(jí)，休眠協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的仲裁者定時(shí)或輪詢檢查所有任務(wù)的投票結(jié)果，找到最小的休眠等級(jí)，類似水桶的最矮一環(huán)作為“共識(shí)”，然后進(jìn)入相應(yīng)的休眠等級(jí)。

如果有人投了“不休眠”的票，仲裁就只能放棄休眠。所以，每一個(gè)任務(wù)都應(yīng)該是一個(gè)負(fù)責(zé)的任務(wù)，都應(yīng)該根據(jù)自己的不同步驟及時(shí)的更新自己對(duì)休眠的容忍度，從而保證投票能夠達(dá)成有意義的結(jié)果。

這種機(jī)制實(shí)現(xiàn)也很容易，比如

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)

uint16_t sleep_enable = 0xFFFF; //0xFFFF表示可以進(jìn)入休眠

uint16_t sleep_enable=0xFFFF，表示系統(tǒng)可以進(jìn)入休眠，每個(gè)任務(wù)獨(dú)立的操作相應(yīng)的一位，禁止休眠時(shí)清0，允許休眠則置1。休眠協(xié)調(diào)機(jī)制即定時(shí)查詢sleep_enable是否為0xFFFF，可以在main輪詢或RTOS的待機(jī)任務(wù)查詢，進(jìn)行休眠的進(jìn)出。

任務(wù)的劃分合理，盡量允許休眠，通過這種協(xié)商機(jī)制可以解決“能睡就睡”的問題。

4.3 任務(wù)等待合并

設(shè)備運(yùn)行中必然存在定時(shí)喚醒的任務(wù)，多個(gè)定時(shí)任務(wù)隨機(jī)的在任意時(shí)刻喚醒工作，導(dǎo)致頻繁退出休眠。這種情況下，在最大允許延遲的情況下，多個(gè)任務(wù)可以在一次喚醒全部執(zhí)行。比如去超市買菜，肯定是一次把當(dāng)天需要的菜都買了，而不是每餐前都去買，一天到晚跑超市。在4G物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品應(yīng)用，比如設(shè)備每3分鐘需要向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)TCP/IP心跳包，同時(shí)傳感器每10秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)也需要上報(bào)服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)為數(shù)據(jù)緩存，等到3分鐘的定時(shí)器溢出上報(bào)時(shí)，將采集的多組傳感器數(shù)據(jù)組合一并上報(bào)，減少無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊喚醒的次數(shù)。

4.4 及時(shí)止損

因?yàn)榄h(huán)境或外設(shè)組合不同，可能在某些時(shí)間段無(wú)法實(shí)現(xiàn)需求，或者結(jié)合當(dāng)前信息大概率無(wú)法實(shí)現(xiàn)，或者硬件部分故障，軟件監(jiān)測(cè)到這種異常后，需要及時(shí)止損，減少不必要的消耗。例如GNSS衛(wèi)星定位，其屬性就是必須在開闊區(qū)域才能定位，如果設(shè)備開啟GNSS但發(fā)現(xiàn)信號(hào)很差，可初步判斷當(dāng)前位置可能在室內(nèi)，即使繼續(xù)工作也不能定位，可以立刻關(guān)閉GNSS節(jié)省電量；當(dāng)然產(chǎn)品在需求層面需要考慮不定位的其他操作。或者通信中確認(rèn)外設(shè)不存在或者損壞，就沒必要繼續(xù)供電定時(shí)交互，進(jìn)行異常報(bào)警即可。

4.5 需求層面

在需求定義時(shí)，充分考慮某個(gè)任務(wù)或外設(shè)工作的起止要求，避免長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行無(wú)效工作。例如可以根據(jù)加速度傳感器判斷設(shè)備是否處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在開啟監(jiān)控，或者通過紅外或聲控判斷有人接近才開啟工作。這種都是通過產(chǎn)品定義，在需求層面組合，滿足要求才喚醒工作，不滿足則及時(shí)停止進(jìn)入休眠，當(dāng)然也可能增加硬件成本。部分設(shè)備也可以考慮使用場(chǎng)地增加太陽(yáng)能充電板，開源節(jié)流。