業務軟件設計

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，才能達到最好的效果。以上是從硬件驅動層面的，一般情況下都比較關注，但實際上軟件業務層的靈活性高，發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化設計節省的效果，遠遠不如軟件設計得好的表現。

從軟件的業務邏輯、產品需求方面的設計，在功耗方面更有意想不到的效果，軟件功耗優化簡單總結就是“能睡就睡”。

4.1 任務周期化

一個嵌入式產品包括很多子功能、子任務，一個應用是對若干服務的調用實現的。這里服務可以是硬件服務，比如AD電壓采樣、UART串口通訊，也可以是軟件服務，比如TCP/IP網絡通信等。簡單的功能如CRC校驗，純軟件實現，函數運行立即獲得結果，對功耗無所謂影響；復雜的功能，盡量使用任務的方式來實現，并不是特指操作系統的task或者thread，可以理解為一個流程，即一個子功能運行的完整過程。一件事有始有終就可以根據需要循環反復，周期運行的任務，明確運行的起止時間點，區分運行與非運行狀態就能更好的優化，比如減少運行持續時間或者其中大電流的時間段，在功耗方面效果比較明顯。

4.2 休眠自理與協調

將整個嵌入式軟件系統分成了很多周期性工作的小任務，它們可能是交錯的或者毫無關系并行的。從本質上說，每個小任務只需關注自身的起止時間點。系統的功耗管理就是為每個任務的功耗進行管理，整體在一個有效的協調方式下才能做到功耗最小。基于任務的功耗管理實際上分成兩個部分，微觀角度單任務自身的功耗管理，和宏觀角度多任務的休眠協調。

從微觀角度來看，一個任務能獨立完成自己的功能，任務中所有的步驟都是確定的，都是“自己說了算的”，對外界來說是“黑盒子”，對低功耗的要求，不外乎以下幾種情形：

（1）、任務執行的過程中不允許休眠，因此任務的開頭和結尾處要設置標志，告知協調系統，“只要我不同意，就不允許系統休眠”。 （2）、任務執行的過程中，某些階段允許休眠，某些階段不允許休眠；任務的執行過程中，不同階段允許不同的休眠等級。 （3）、任務執行的過程中，不在乎是否休眠。

三類任務同時存在于系統中，第一類任務是相當霸道的，只要它在執行，根本不允許休眠；第二類任務既完成了任務，又兼顧了休眠；第三類任務基本上可當做空氣無視。系統任務設計時應盡可能編寫后兩類任務，避免或者嘗試拆分第一類任務。

從宏觀角度來看，任意時刻可能有多個任務同時在執行，每個任務對休眠的需求都是不同的。如果要設立一個協調機制，該怎么辦呢？每個任務按最低需求，隨時來休眠協調機構簽到投票，表明自身當前能夠容忍的最低功耗對應的休眠等級，休眠協調機構的仲裁者定時或輪詢檢查所有任務的投票結果，找到最小的休眠等級，類似水桶的最矮一環作為“共識”，然后進入相應的休眠等級。

如果有人投了“不休眠”的票，仲裁就只能放棄休眠。所以，每一個任務都應該是一個負責的任務，都應該根據自己的不同步驟及時的更新自己對休眠的容忍度，從而保證投票能夠達成有意義的結果。

這種機制實現也很容易，比如

//微信公眾號：嵌入式系統

uint16_t sleep_enable = 0xFFFF; //0xFFFF表示可以進入休眠

uint16_t sleep_enable=0xFFFF，表示系統可以進入休眠，每個任務獨立的操作相應的一位，禁止休眠時清0，允許休眠則置1。休眠協調機制即定時查詢sleep_enable是否為0xFFFF，可以在main輪詢或RTOS的待機任務查詢，進行休眠的進出。

任務的劃分合理，盡量允許休眠，通過這種協商機制可以解決“能睡就睡”的問題。

4.3 任務等待合并

設備運行中必然存在定時喚醒的任務，多個定時任務隨機的在任意時刻喚醒工作，導致頻繁退出休眠。這種情況下，在最大允許延遲的情況下，多個任務可以在一次喚醒全部執行。比如去超市買菜，肯定是一次把當天需要的菜都買了，而不是每餐前都去買，一天到晚跑超市。在4G物聯網產品應用，比如設備每3分鐘需要向服務器發送一個TCP/IP心跳包，同時傳感器每10秒采集一個數據也需要上報服務器，可以實現為數據緩存，等到3分鐘的定時器溢出上報時，將采集的多組傳感器數據組合一并上報，減少無線網絡模塊喚醒的次數。

4.4 及時止損

因為環境或外設組合不同，可能在某些時間段無法實現需求，或者結合當前信息大概率無法實現，或者硬件部分故障，軟件監測到這種異常后，需要及時止損，減少不必要的消耗。例如GNSS衛星定位，其屬性就是必須在開闊區域才能定位，如果設備開啟GNSS但發現信號很差，可初步判斷當前位置可能在室內，即使繼續工作也不能定位，可以立刻關閉GNSS節省電量；當然產品在需求層面需要考慮不定位的其他操作。或者通信中確認外設不存在或者損壞，就沒必要繼續供電定時交互，進行異常報警即可。

4.5 需求層面

在需求定義時，充分考慮某個任務或外設工作的起止要求，避免長時間進行無效工作。例如可以根據加速度傳感器判斷設備是否處于運動狀態在開啟監控，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，不滿足則及時停止進入休眠，當然也可能增加硬件成本。部分設備也可以考慮使用場地增加太陽能充電板，開源節流。