詳解CPU功耗的方法與技巧

1理解Thumb-2

首先，讓我們從一個看起來并不明顯的起點開始討論節(jié)能技術—指令集。所有Cortex-M CPU都使用Thumb-2指令集，它融合了32位ARM指令集和16位Thumb指令集，并且為原始性能和整體代碼大小提供了靈活的解決方案。在Cortex-M內(nèi)核上一個典型的Thumb-2應用程序與完全采用ARM指令完成的相同功能應用程序相比，代碼大小減小到25%之內(nèi)，而執(zhí)行效率達到90%（當針對運行時間進行優(yōu)化后）。

Thumb-2中包含了許多功能強大的指令，能夠有效減少基礎運算所需的時鐘周期數(shù)。減少時鐘周期數(shù)意味著現(xiàn)在你能夠以更少的CPU功耗完成手頭的工作。例如，假設要完成一個16位乘法運算（如圖1所示）。在一個8位8051內(nèi)核的MCU上執(zhí)行這個運算將需要48個時鐘周期，并占用48字節(jié)的Flash存儲空間。使用一個16位內(nèi)核的MCU（例如C166）執(zhí)行相同的運算需要8個時鐘周期，并占用8字節(jié)的Flash存儲空間。相比之下，在使用Thumb-2指令集的Cortex-M3內(nèi)核中完成相同運算僅僅需要1個時鐘周期，并占用2字節(jié)的Flash存儲空間。Cortex-M3內(nèi)核能夠通過使用更少時鐘周期完成相同任務，節(jié)省了能耗；同時也能夠通過占用極少的Flash存儲空間，減少Flash存儲器訪問次數(shù)，實現(xiàn)最終能耗節(jié)省的目標（除此之外，更小的應用代碼也使得系統(tǒng)可以選擇更小的Flash存儲器，進一步降低整體系統(tǒng)功耗）。

圖1 時鐘周期數(shù)對比

圖2 ARM7和Cortex-M3的中斷響應

2中斷控制器節(jié)能技術

Cortex-M架構中的中斷控制器（Nested Vectored Interrupt Controller or NVIC）在降低CPU功耗方面也起著關鍵作用。以前的ARM7-TDMI需要“多達”42個時鐘周期，Cortex-M3 NVIC從中斷請求發(fā)生到執(zhí)行中斷處理代碼僅需要12個時鐘周期的轉(zhuǎn)換時間，這顯然提高了CPU執(zhí)行效率，降低了CPU時間浪費。除了更快進入中斷處理程序之外，NVIC也使得中斷之間切換更加高效。

在ARM7-TDMI內(nèi)核實現(xiàn)中，需要先花費數(shù)個時鐘周期從中斷處理程序返回主程序，然后再進入到下一個中斷處理程序中，中斷服務程序之間的“入棧和出棧（push-and-pop）”操作就要消耗多達42個時鐘周期。而Cortex-M NVIC采用更有效的方法實現(xiàn)相同任務，被稱為“末尾連鎖（tail-chaining）”。這種方法使用僅需6個時鐘周期處理就能得到允許，進入下一個中斷服務程序的所需信息。采用末尾連鎖，不需要進行完整的入棧和出棧循環(huán)，這使得管理中斷過程所需的時鐘周期數(shù)減少65%（如圖2所示）。

3存儲器節(jié)能注意事項

存儲器接口和存儲器加速器能夠明顯影響CPU功耗。代碼中的分支和跳轉(zhuǎn)可能會對為CPU提供指令的流水線產(chǎn)生刷新影響，在這種情況下CPU需要延遲幾個時鐘周期以等待流水線重新完成填充。在Cortex-M3或Cortex-M4內(nèi)核中，CPU配備了一條3級流水線。刷新整條流水線將導致CPU延遲3個時鐘周期，如果有Flash存儲器等待狀態(tài)發(fā)生，時間會更長，以便完成重新填充過程。這些延遲完全浪費功耗，沒有任何功用。為了幫助減少延遲，Cortex-M3和M4內(nèi)核包括一個被稱為推測取指（Speculative Fetch）的功能，即它在流水線中對分支進行取指的同時也取指可能的分支目標。如果可能的分支目標命中，那么推測取指能夠把延遲降低到1個時鐘周期。雖然這個特性是有用的，但顯然不夠，許多Cortex-M產(chǎn)品供應商都增加了自己的IP以增強這個能力。