低功耗设计
引言：
用电池供电的产品来说能耗是一个重大的问题，一旦电能耗尽设备将“罢工”。在《MCU低功耗设计（一）理论》中，我们介绍了节能的原理，本文用万用表和MCU电路板，真刀真枪地测试功耗值。简单，但绝对真实的测试数据，看看官方宣称低功耗与实测结果有多大差距，Let’s Go知识库" Go!
说明：
博客的书写工具对于图片的编辑支持力度不够，喜欢本博文的读者可以从以下链接下载PDF版本的博文，那将是一个更好的排版文档。
http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8966291
一． 搭建测试环境
1. 硬件平台：
选用“长沙市锐米通信科技有限公司(www.rimelink.com)”的无线通信模块iWL881A（下图左），考虑只测试MCU能耗，特地将无线电射频模块去除（下图右），MCU为ST公司超低功耗STM8L151C8T6。
2. 软件平台：
开发平台选用IAR集成开发环境，它的具体型号如右图：
3. 测试工具：
超高精度测低功耗，需要电池模拟器，那玩意可是RMB二十多万一台；老外（如Contiki之父Adam Dunkels）经常接100欧姆电阻，用示波器算积分，比较繁杂；我们使用最简单的办法，串联电流表，不要小看它，测量到uA的精度是可行的。测试环境搭建如下图所示
二． 低功耗模式下功耗测试
测试MCU低功耗比较科学的办法是，采用加法原则，即，首先测试最低工作状态下功耗，然后累加外设或I/O引脚，一步一步测试使能部件的功耗值。
为更好地测试STM8L151C8的功耗，我们写了一个C语言测试软件，它把MCU的5种低功耗运行模式都包括在内。当测试对应的运行模式时，只需要修改宏定义：#define MCU_MODE MODE_xxxxxx。
读者可以从以下链接直接下载该测试代码：
http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8959145
以下链接下载本博文的姊妹篇：
《MCU低功耗设计（一）理论》
http://download.csdn.net/detail/jiangjunjie_2005/8957767
1. Halt功耗
将测试代码宏定义设置为：
#define MCU_MODE MODE_HALT
编译并烧录到MCU中，并电流表调整到2mA量程。可以看到，HALT模式下，功耗为0.4uA。
ST公司产品手册：Halt（400 nA）
看来，有信仰的民族（西欧基本都是基督教徒）更容易说真话呀！
2. Active-Halt功耗
将测试代码宏定义设置为：#defineMCU_MODE MODE_ACTIVE_HALT，编译并烧录到MCU中，电流表仍为2mA量程。可以看到，Active-Halt模式下，功耗为1.0uA和2.2uA，为什么会有2个值呢？
如果您看过本系列的第一篇博文《MCU低功耗设计（一）理论》，那就知道，较低的功耗（1.0uA）是Halt状态，而较高的功耗（2.2uA）是唤醒状态。为什么同样是停止，Active-Halt（1.0uA）比Halt（0.4uA）功耗要高呢？答案是，前者有一个38kHz的内部RC晶振在运行，它给RTC提供时钟源，它也需要电能哦！
ST公司产品手册：Active-halt with full RTC（1.4 uA）
如果我们把1.0uA和2.2uA简单地取个平均，那将是1.6uA，和官方数据还是接近吧。当然，要更精确测量，需要拿示波器记录唤醒时间的占空比，这个工作留给更严谨的后续者来完成吧（记得给读者发博文，科技报国，需要身体力行！）。
3. LowPowerWait功耗
将测试代码宏定义设置为：
#define MCU_MODE
MODE_LOW_POWER_WAIT，
可以看到功耗为：2.7uA。
ST公司产品手册：Low power wait（3 uA）
那个0.3uA可以算测试误差否？欢迎讨论。
4. LowPowerRun功耗
将宏定义设置为：
#define MCU_MODE
MODE_LOW_POWER_RUN
该模式下功耗为：4.6uA。
ST公司产品手册：Low power run（5.9 uA）.
实测功耗比官方宣称功耗还低1.3uA。
我们一起看看该模式下MCU的工作原理。
①进入“Low power run”模式的代码序列：
l 跳转到RAM；
l 切换系统时钟到LSI或LSE；
l 关闭高速晶振、ADC和没有使用的外设；
l 屏蔽所有中断；
l 关闭FLASH和EEPROM；（添加软件延时，确保关闭成功）
l 配置低功耗电压调节器。
②退出“Low power run”模式的代码序列：
l 打开主电压调节器；
l 打开FLASH和EEPROM；
l 使能所有中断；
l 打开需要使用的外设，如有必要跳转到FLASH和EEPROM。
特别注意的是，Lowpower run模式下，MCU是从RAM（不是ROM）取指令解析执行，因为需要将该代码段定位到RAM中。在IAR环境下，将代码段定位于RAM，需要在函数前加关键字“__ramfunc”。实例函数申明如下：
__ramfunc void LPR_Ram(void)
5. Wait功耗
看过第一篇博文《MCU低功耗设计（一）理论》的读者会了解到，Wait模式下仅CPU暂停运行，这样一来晶振可以是HSI（内部高速）或LSI（内部低速）。我们先测试HIS模式下功耗，设置模式：#define MCU_MODE MODE_WAIT，设置时钟：#define IS_ENABLE_LSI 0。实测功耗为：687uA，下图右所示。
再测试LIS模式下功耗，设置模式：#define MCU_MODE MODE_WAIT，设置时钟：#define IS_ENABLE_LSI 1，实测功耗为：82uA，下图左所示。
ST公司产品手册：Wait, Low power run（5.9 uA）
为什么会有如此大的差距，这个答案肯怕得ST公司的技术人员来回答了！
6. Run功耗
当MCU以HSI（16MHz）高速运行时，它的功耗如下图左所示：5.3mA（实测时小数点后2和3位在跳动）。
ST公司产品手册：Consumption: 200 uA/MHz + 330 uA.
按上述公式计算，理论功耗应该是3.5mA，与实测值5.3mA有较大差别，很想ST公司的技术人员来解答下。
当MCU以LSI（38kHz）低速运行时，它的功耗如下图右所示：95.6uA。按官方宣称Static能耗330uA，相差也不小。
我们一起总结下上述运行模式下功耗和使能部件。
三．I/O引脚与外设功耗测试
外设需要HSI（高速外部晶振）或LSI（低速晶振）提供时钟源，因此测试外设一般工作在Wait模式下：此时CPU停止运行，将外设开启的测量功耗值减去关闭时的测量功耗值，即可得该外设的运行功耗值。
外设数目比较多，我们测试一些常用的外设功耗如下：
I/O引脚属于模拟器件，往往它的功耗更高，如在上述测试电路有一Pin5（PA4），它连接到LED上。使能与禁止该LED引脚后，测得电流为320uA。
一般而言，I/O引脚需要连接到一个确定的逻辑电平。对于所有没有连接到确定逻辑信号的I/O引脚需要改变配置，否则，外部噪声会导致功耗增加，如引脚内部的施密特触发器检测噪声的翻转而消耗能量：输入引脚配置成上拉；输出引脚配置低（或高）的逻辑电平。
来源链接：http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/47304927
一．MCU耗能因素
现代的MCU一般使用CMOS技术，耗能包括2方面：
静态消耗 主要是晶体管消耗能量；
动态消耗 公式=C×V2×f，其中C是CMOS的负载电容，V是供电电压，f是时钟频率；
总电能消耗是静态消耗和动态消耗之和，即：IDD=f×IDynamicRun[uA/MHz]+IStatic[uA].
因此，电能消耗依赖于：
MCU芯片尺寸 或者说晶体管的数目；
MCU供电电压 降低电压可以成平方级别地降低电能消耗；
时钟频率 可以把时钟频率降低到刚好满足应用需要；
外设数目 使能的外设越多，耗能越大；
运行模式 合理选择工作模式可以大幅节能，如，全速工作极短时间后进入睡眠模式。
二．节能方法
1. 关闭不需要使用的外设；
2. 所有未使用的引脚必须连接到一个确定的逻辑电平；
3. 当有外设必须保持激活时，使用Wait模式来获得低功耗；
4. 使用合适的VDD值；
5. 尽可能地使用低功耗运行模式；
6. 如果不能使用低功耗模式，那就将主频降低到满足应用的最小值；
7. 如果可能，使用动态控制I/O引脚的上拉功能。
三．低功耗模式
支持低功耗的MCU一般都有好几种运行模式，以ST公司的STM8L为例，它支持5种低功耗模式：等待、低功耗运行、低功耗等待、主动停止和停止。每一种模式的进入方式，节能级别和外设工作要求，总结表1：
表1 STM8L低功耗运行模式
上述低功耗运行模式对于开发者来说有点多，尤其刚接触STM8L处理器。我们需要一般性的指导原则，表2是来源于实践的经验。
表2 选择合理的STM8L节能模式
四．鲜为人知的技巧
1. 使用Wait替换查询方式达到节能目的
常见的查询方式如下，此时CPU无事可干，白白消耗电能。
ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */
while (!(ADC_SR & ADC_SR_EOC)) ; /* wait for EOC bit set */
可以使用等待事件的方式来节省电能。
先配置ADC为事件源，并使能相应的中断：
WFE_CR2 = ADC_COMP_EV; /* enable ADC as a source of event */
ADC_CR1 = ADC_EOCIE; /* enable interrupt for end of conversion */
当ADC转换完成后，唤醒处于等待的CPU：
ADC_CR1 = ADC_START; /* start conversion */
_asm(“wfe”); /* enter wait mode until waked by ADC_EOCIE*/
2. 无须上下文切换的中断模式
应用程序设计时，如果所有中断事件由ISR完成，可以通过将CFG_GCR寄存器中AL位置1来节省电能：避免保存/恢复context、无须主程序运行（返回到WFI模式），如下图1所示。
将AL位置1节省电能的方法同样可以用于HALT模式，原理如下图2所示。
3. 动态设置I/O口的上拉功能
很多应用需要按键作为人机接口，按键一般连接到I/O上。当按键没有动作时I/O口设置内部上拉而获得确定的逻辑电平；一旦按键按下，I/O口对地导通将产生额外的40～70uA电流，这对于电池供电的低功耗来说是十分重要的。
可以动态地控制I/O口的上拉达到节能的目的：一旦按键按下，中断服务程序将禁止该I/O口的上拉功能；然后软件定时执行—先使能上拉功能，再检测I/O口状态，如果按键仍按下再次禁止上拉功能，否则使能I/O口的上拉功能。整个逻辑如下图3所示：
4. CPU空闲节能策略
CPU的空闲节能如下图4所示，它的逻辑包括以下几个步骤：
(1)发现CPU空闲：带OS系统，表现为任务没有事件需要响应，或者进入idle进程；无OS系统，表现为程序运行结束。
(2) 选择一种合适的CPU节能模式：chip_EnterLowPower()完成进入节能前的准备工作，包括：关闭外设，切换I/O引脚到节能状态。
(3) 退出节能模式需要调用chip_ExitLowPower()，可能发生在以下2种情形：
a. 需要使用被关闭外设的ISR：
b. 由process直接退出；
chip_ExitLowPower()的善后工作包括：使能外设，切换I/O引脚到工作状态。同时为避免ISR和process两次操作chip_ExitLowPower()，该
函数设置了状态变量避免重复退出。
来源：http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/47272017
