低功耗休眠喚醒之三級環(huán)形架構

前言

無線通信技術相關應用中，用戶體驗一直是用戶關系的重點。無線通訊距離近一點，通訊速度慢一點，這都不是致命的問題，在某些場合下是完全可以接受的，甚至?本身就是項目的技術需求；但是有一些設計缺陷卻會嚴重影響用戶體驗的，一旦大面積的出現(xiàn)，基本上可以判定為產品失敗了；總結起來，大家都無法忍受的問題主要是下述兩個?：

（1）通訊失敗或者數(shù)據(jù)傳輸錯誤

（2）電池消耗快，很快沒電

01

業(yè)內問題

在絕大部分用戶的心目中，無線通訊本身就不如有線通訊技術穩(wěn)定，如果一款產品還經常傳輸失敗，試問用戶會對這款產品有信心嗎？

無線產品配合上電池供電，才能充分發(fā)揮無線技術可以隨意移動的優(yōu)勢，因此很多的無線產品經常和低功耗或電池供電有非常緊密的聯(lián)系；一旦這個產品電池消耗很快，那么必然將是其便攜性，移動性大打折扣。

當然，在理論設計上產品的電池壽命肯定是非常長的，但是真正實現(xiàn)起來卻比較困難，很多的產品設計電池壽命有 5 年之久，但是現(xiàn)場運行不到一年，甚至幾個月就完全沒電了，這種問題的發(fā)作經常沒有任何規(guī)律，測試時間上又以年/月為單位，且呈現(xiàn)出偶發(fā)特性，定位起來極其困難，困擾了不少的無線通訊技術工程師，被認為是業(yè)界的重要難題之一。?

02

技術難點

其實電池快速耗電和通訊不穩(wěn)定說到底都是軟件設計，特別是軟件架構方面的設計問題；軟件架構上的不完整或混亂，導致射頻芯片的控制不準確甚至部分狀態(tài)失去控制才是問題的源頭。既然大家都認為功耗的管理是一個難題，那么到底難在哪些環(huán)節(jié)呢？

（1）?產品的低功耗休眠喚醒設計，存在系統(tǒng)業(yè)務和應用層業(yè)務兩種：在系統(tǒng)層面講，主要有OTA無線升級、遠程診斷、遠程控制（無線I/O）等；在應用層中則是回調機制、關閉端口上拉、檢測用戶按鍵、關閉工作指示燈等。系統(tǒng)層內容屬于整個產品的軀干和骨架，通常需要交給經驗豐富的工程師負責，因為涉及精密的規(guī)則和龐大的算法問題，需要較為強大的抽象能力和全面的視角。而應用層則是面向用戶的，體現(xiàn)在軟件部分則相對比較簡單。

（2）?系統(tǒng)存在多種喚醒源：如UART、GPIO、RTC、Timer等，這些喚醒源中斷方式和清除規(guī)則略有不同，但是進入和退出休眠需要遵循相同的路徑，因此其控制邏輯需要做一定的抽象化設計，具有一定的挑戰(zhàn)。

（3）?基于RTC定時器的后臺背景活動：?某些延遲操作，比如開啟一個 LED 指示燈，十秒之后關閉，此時如果處理器全速運行就為了運行這一功能，是不太經濟的；通常是設置一個狀態(tài)標志，然后啟動RTC定時器，并將處理器切入休眠狀態(tài)，計時的時間到了之后會產生一個RTC中斷，處理器可以在這種中斷到達的時候關閉這個LED 指示燈。類似這些延遲操作，往往還會和其他的業(yè)務狀態(tài)交織在一起，控制邏輯需要精確設計，稍有不慎就會失去控制。

（4）?被未知的電磁波干擾，吵醒?，?誤喚醒等假喚醒行為：無線電波由于空間開放的特性，其喚醒動作往往伴隨著少量的模擬特性，偶爾會被一些未知的信號給誤觸發(fā)，處理器被喚醒之后，?需要對喚醒后的實時參數(shù)做一些分析計算，對喚醒源進行甄別篩選，如果不是有效的喚醒，需要提前終止業(yè)務邏輯。

（5）?存在多種不同模式的睡眠深度的低功耗模式：處理器通常支持多種不同的睡眠?深度，?對應不同的功耗等級。不同睡眠模式下，處理器可以激活的外設不一樣的，在喚醒之后，有些外設需要再次初始化之后才可以重新投入工作，只有深入了解處理器的工作特性，才能控制好處理器不同睡眠模式?的切換工作。

（6）?雙芯片模式（獨立的無線通訊模塊）模式和單芯片模式（協(xié)議棧和應用層業(yè)務運行在一個芯片上），需要統(tǒng)一的編程接口。?如果維持兩套不同的編程接口，代碼分支龐大不說，還很容易產生歧義，為后續(xù)的產品維護和架構升級帶來困難。

綜合以上難點，需要解決如此復雜的功耗控制要求，必須分而治之，采用分層的控制策略；行之有效的解決方案就是如下的內-中-外，三級環(huán)形架構。

03

三級環(huán)形架構

上圖是一個電子價簽的主程序框架。可以看出該程序主要分為三個主線程，分別是協(xié)議棧的主線程；低功耗休眠與喚醒的主線程與墨水屏應用業(yè)務的主線程。這三個主線程在同一個層級平行運行，具有相同的調度優(yōu)先級。

局放圖

我們將低功耗休眠與喚醒的主線程做局部放大，如上所示。

圖中的三級環(huán)架構是休眠喚醒管理模塊的核心，是整個休眠喚醒功能的局部放大。如圖所示，由內環(huán)、中環(huán)、外環(huán)，三部分構成。因為考慮到在無線通信中，各種事件的復雜程度及其處理方式，分為以上三環(huán)。最內部一環(huán)主管電磁波喚醒，中層環(huán)主管GPIO喚醒、RTC喚醒、UART喚醒，最外層環(huán)則啟動了整個協(xié)議棧以及業(yè)務層，面向用戶進行交互。

三級環(huán)的目的突出的是分層做事原則。在內環(huán)中只進行電磁波喚醒的工作，這里主要有三部分，查詢中斷、分析中斷狀態(tài)、無線電波處理。當信號到達這一環(huán)，會根據(jù)信號類型分析是否進行無線電波的喚醒處理。

如果不是無線電波喚醒，則跳出該層，進入中環(huán)處理。這里的信號類型分析和處理是根據(jù)不同事件、不同時刻產生的耦合性而定的。

在中環(huán)，GPIO 喚醒是特定產品的喚醒模式；RTC 喚醒通常用于一些低優(yōu)先級的后臺任務，比如檢測是否漏電或者執(zhí)行一些延遲 I/O 操作；UART???串口喚醒?則是針對用戶處理器。

外環(huán)則是面向用戶的層級，如需要啟動主程序固件升級或者業(yè)務邏輯，比如墨水屏的刷新屏幕顯示內容等，則程序會被全面喚醒，此時就在外環(huán)中進行。

環(huán)形架構的優(yōu)勢

由外環(huán)、中環(huán)到內環(huán)，視覺效果方面是越來越小的，越來越縮放的。自然在功能性方面也是越來越小，越來越簡潔的過程。三級環(huán)從外到內，能做的?“?事?”?就越來越少，體現(xiàn)在軟件代碼方面就是，代碼更少，功能性更加單一，邏輯更加清晰，運行更穩(wěn)定。從而更加節(jié)省功耗。

為什么功耗更加節(jié)約？將電磁波喚醒獨立拆分，做成了獨立的單元結構，是出于這樣的考慮的。當信號指令到達三級環(huán)，內環(huán)首先進行判定，是否需要電磁波喚醒，判定是，就進行電磁波喚醒；判定不是，則跳入中環(huán)選擇喚醒類別，內環(huán)進入休眠。

考慮到事件的復雜性、多樣性，需要從不同屬性、不同時間等多角度考量休眠喚醒的執(zhí)行，通俗點說就是“跟我相關起來干活，跟我無關繼續(xù)睡覺”，這樣的三級環(huán)設計針對性很強，在需要單一模式喚醒時，只需要調動少數(shù)軟件資源和內部耗能就可以完成，完成相關作業(yè)后繼續(xù)休眠，等待下一輪指令喚醒。從而這樣的三級環(huán)設計是一款更加節(jié)約功耗的方案。

回調函數(shù)

//?*****************************************************************************
//?Design?Notes:
//?-----------------------------------------------------------------------------
char?OnHostWakeup_Request(?unsigned?char?iStatus,?char?iCause,?char?iReqAck?)
{
unsigned?char?iRetVal;

//?The?callback?status
switch?(?iStatus?)
{
case??WIMINET_SLEEP_CALL_INIT:
{
OnWakeupRequest_Init(?iCause,?iReqAck?);
}
break?;

case??WIMINET_SLEEP_CALL_OPEN:
{
OnWakeupRequest_Open(?iCause,?iReqAck?);
}
break?;

case??WIMINET_SLEEP_CALL_WORK:
{
OnWakeupRequest_Work(?iCause,?iReqAck?);
}
break?;

case??WIMINET_SLEEP_CALL_STOP:
{
OnWakeupRequest_Stop(?iCause,?iReqAck?);
}
break?;

default:
{
iRetVal?=?0X00;
}
break?;
}

//?The??return??status
return??iRetVal;

以上是一個 SoC 產品方案，回調函數(shù)的標準樣本，通常需要實現(xiàn)“系統(tǒng)剛剛喚醒”，“已經完成初始化”，“執(zhí)行用戶任務”，“即將進入休眠”等幾個重要的通知時刻：

系統(tǒng)剛剛喚醒?：?系統(tǒng)運行在三級環(huán)的內環(huán)，處理器剛剛被中斷喚醒，需要啟用系統(tǒng)層級別的外設，比如 SPI 總線等；

已經完成初始化：?系統(tǒng)已經切換至三級環(huán)的外環(huán)，控制權準備釋放給用戶程序，通常在此時初始化用戶任務；

執(zhí)行用戶任務?：?系統(tǒng)運行在三級環(huán)的外環(huán)，此時協(xié)議棧程序也在同層級平行運作，用戶程序執(zhí)行完了之后，需要釋放控制權給系統(tǒng)，通知系統(tǒng)進入睡眠模式

即將進入休眠?：?系統(tǒng)運行在三級環(huán)的中環(huán)，所有的數(shù)據(jù)都已經發(fā)送完畢或者超時終止，即將重新進入睡眠模式，通知用戶關閉外設，執(zhí)行任務的清理或者重置工作。

對于不太復雜的系統(tǒng)，通常僅僅需要實現(xiàn)上述四個通知的回調函數(shù)即可，其余的通知可以不做處理器；對于更加復雜的系統(tǒng)，可以根據(jù)需要實現(xiàn)其他更多的回調通知。