低功耗技术在智能硬件上的应用

Posted 2021-08-07 HaaS技术社区

1、背景

随着芯片技术的不断发展，CPU的主频越来越高，随之而来的高功耗及发热等问题也日益显现出来，因此低功耗设计也成为了智能硬件中必须面对的重大课题。业界在低功耗的设计方面有许多优秀的实践案例，值得我们借鉴和学习，本文总结了一些经典的低功耗设计方法，同时也会详细阐述Alios Things在IPC中采用的低功耗方案。

2、智能硬件的低功耗设计

2.1、功耗产生的原因

芯片的功耗可理解为在单位时间内所消耗的电量，因此功耗的高低主要取决于产品中器件或模块消耗电量的大小。

功耗来源分类：
静态功耗：和芯片制造工艺相关，通过提升芯片采用的工艺、降低芯片面积等方法，但同时也增加了芯片的成本。
浪涌功耗：开机和唤醒时的瞬时功耗，和芯片本身的启动电流以及和元器件有关。
动态功耗：以上两种超出了本文的讨论范畴，本文主要讨论如何通过软硬件的设计来降低动态功耗。

2.2、降低智能硬件功耗的一般方法

2.2.1、CPU动态调频和调压

对于大多数SoC系统，都可以支持动态调整CPU运行频率和电压，根据当前系统承载的业务，当CPU负载较重时，可以使用较高的运行频率和电压，当CPU处于低业务量或空闲状态时，可降低运行频率和电压，达到降低功耗的目的。

2.2.2、关闭不用的模块和外设

当前SoC系统功能越来越复杂，集成的模块也越发丰富，从GPIO、Uart、SPI，到音视频、网络等。SoC中每个模块都需要一个对应的时钟来保证模块的正常运行，如下图所示的一种简化的SoC的时钟系统，时钟信号的翻转是产生动态功耗的主要原因之一，因此关闭系统不用的模块对于降低功耗也是行之有效的方法之一。

3、基于AliOS Things的低功耗IP Camera

3.1、总体架构

本方案的核心是通过将主控的网络保活等功能释放到wifi模组，在非业务模式下仅保留wifi模组工作，让主控SoC掉电，从而达到降低功耗的目的。wifi模组在主控SoC掉电时和服务器保持连接，当有业务需要进行时，则由wifi模组立即唤醒主控。

3.2、软件设计

3.2.1、主控快速启动

主控的快速启动是实现本低功耗方案的前提，只有能够做到主控快启并快速出图，才能让主控在空闲模式下掉电，从而节省功耗。从内核驱动和用户态应用两个方面对系统的启动速度进行优化：
（1）驱动模块初始化加速
将内核驱动模块做并行化处理，加速系统的启动。在设备驱动在初始化的延时过程中，切换到其他设备的初始化流程，可达到并行化的效果。
（2）应用程序分段加载技术
开机过程中仅加载应用.elf镜像的部分内容到内存中，结合缺页中断等CPU特性，在需要时唤入其他部分，可实现应用程序的分段加载，从而缩短应用的启动时间。

3.2.2、网络链路保活机制

IP Camera在低功耗状态没有主流程业务，但仍需要和服务器之间保持连接状态，当有业务触发时，则可以快速发起业务。本低功耗方案将主控做了掉电处理，因此保活的工作释放给wifi模组进行，由wifi模组周期性向服务器发送保活数据包。

3.2.3、休眠和唤醒方案

从IP Camera的应用场景出发，IP Camera在绝大多数时间内，是不需要启动的，只有当用户通过手机App远程查看视频，或者当Camera检测（一般是红外检测）到有人经过时，才会启动IP Camera进行正常业务。所以让IP Camera的主控在不用的时候进入低功耗模式甚至断电，可以大大增加IP Camera的待机时间。

4、总结

本文介绍了智能硬件中低功耗设计的一般方法，通过降频降压、关闭不用的模块等方法可以达到降低功耗的目的。此外，还介绍了一套基于AliOS Things的IP Camera解决方案，该方案通过实现主控快启，以及关闭主控的方法，实现深度降低IP Camera整体功耗的目的，同时该方案具备很好的可复制性。

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