低功耗休眠喚醒之三級環形架構

前言

無線通訊技術相關應用中，使用者體驗一直是使用者關係的重點。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 本身就是專案的技術需求；但是有一些設計缺陷卻會嚴重影響使用者體驗的，一旦大面積的出現，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）通訊失敗或者資料傳輸錯誤

（2）電池消耗快，很快沒電

01

業內問題

在絕大部分使用者的心目中，無線通訊本身就不如有線通訊技術穩定，如果一款產品還經常傳輸失敗，試問使用者會對這款產品有信心嗎？

無線產品配合上電池供電，才能充分發揮無線技術可以隨意移動的優勢，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絡；一旦這個產品電池消耗很快，那麼必然將是其便攜性，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，但是現場執行不到一年，甚至幾個月就完全沒電了，這種問題的發作經常沒有任何規律，測試時間上又以年/月為單位，且呈現出偶發特性，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定說到底都是軟體設計，特別是軟體架構方面的設計問題；軟體架構上的不完整或混亂，導致射頻晶片的控制不準確甚至部分狀態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，那麼到底難在哪些環節呢？

（1） 產品的低功耗休眠喚醒設計，存在系統業務和應用層業務兩種：在系統層面講，主要有OTA無線升級、遠端診斷、遠端控制（無線I/O）等；在應用層中則是回撥機制、關閉埠上拉、檢測使用者按鍵、關閉工作指示燈等。系統層內容屬於整個產品的軀幹和骨架，通常需要交給經驗豐富的工程師負責，因為涉及精密的規則和龐大的演算法問題，需要較為強大的抽象能力和全面的視角。而應用層則是面向使用者的，體現在軟體部分則相對比較簡單。

（2） 系統存在多種喚醒源：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。

（3） 基於RTC定時器的後臺背景活動： 某些延遲操作，比如開啟一個 LED 指示燈，十秒之後關閉，此時如果處理器全速執行就為了執行這一功能，是不太經濟的；通常是設定一個狀態標誌，然後啟動RTC定時器，並將處理器切入休眠狀態，計時的時間到了之後會產生一個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務狀態交織在一起，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：無線電波由於空間開放的特性，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訊號給誤觸發，處理器被喚醒之後， 需要對喚醒後的實時引數做一些分析計算，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：處理器通常支援多種不同的睡眠 深度， 對應不同的功耗等級。不同睡眠模式下，處理器可以啟用的外設不一樣的，在喚醒之後，有些外設需要再次初始化之後才可以重新投入工作，只有深入瞭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） 雙晶片模式（獨立的無線通訊模組）模式和單晶片模式（協議棧和應用層業務執行在一個晶片上），需要統一的程式設計介面。 如果維持兩套不同的程式設計介面，程式碼分支龐大不說，還很容易產生歧義，為後續的產品維護和架構升級帶來困難。

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

03

WiMi-net 的三級環形架構

上圖是一個電子價籤的主程式框架。可以看出該程式主要分為三個主執行緒，分別是協議棧的主執行緒；低功耗休眠與喚醒的主執行緒與墨水屏應用業務的主執行緒。這三個主執行緒在同一個層級平行執行，具有相同的排程優先順序。

局放圖

我們將低功耗休眠與喚醒的主執行緒做區域性放大，如上所示。

圖中的三級環架構是休眠喚醒管理模組的核心，是整個休眠喚醒功能的區域性放大。如圖所示，由內環、中環、外環，三部分構成。因為考慮到在無線通訊中，各種事件的複雜程度及其處理方式，分為以上三環。最內部一環主管電磁波喚醒，中層環主管GPIO喚醒、RTC喚醒、UART喚醒，最外層環則啟動了整個協議棧以及業務層，面向使用者進行互動。

三級環的目的突出的是分層做事原則。在內環中只進行電磁波喚醒的工作，這裡主要有三部分，查詢中斷、分析中斷狀態、無線電波處理。當訊號到達這一環，會根據訊號型別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，進入中環處理。這裡的訊號型別分析和處理是根據不同事件、不同時刻產生的耦合性而定的。

在中環，GPIO 喚醒是特定產品的喚醒模式；RTC 喚醒通常用於一些低優先順序的後臺任務，比如檢測是否漏電或者執行一些延遲 I/O 操作；UART 串列埠喚醒 則是針對使用者處理器。

外環則是面向使用者的層級，如需要啟動主程式韌體升級或者業務邏輯，比如墨水屏的重新整理螢幕顯示內容等，則程式會被全面喚醒，此時就在外環中進行。

環形架構的優勢

由外環、中環到內環，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。三級環從外到內，能做的 “ 事 ” 就越來越少，體現在軟體程式碼方面就是，程式碼更少，功能性更加單一，邏輯更加清晰，執行更穩定。從而更加節省功耗。

為什麼功耗更加節約？將電磁波喚醒獨立拆分，做成了獨立的單元結構，是出於這樣的考慮的。當訊號指令到達三級環，內環首先進行判定，是否需要電磁波喚醒，判定是，就進行電磁波喚醒；判定不是，則跳入中環選擇喚醒類別，內環進入休眠。

考慮到事件的複雜性、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行，通俗點說就是“跟我相關起來幹活，跟我無關繼續睡覺”，這樣的三級環設計針對性很強，在需要單一模式喚醒時，只需要調動少數軟體資源和內部耗能就可以完成，完成相關作業後繼續休眠，等待下一輪指令喚醒。從而這樣的三級環設計是一款更加節約功耗的方案。

回撥函式

// *****************************************************************************
// 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，回撥函式的標準樣本，通常需要實現“系統剛剛喚醒”，“已經完成初始化”，“執行使用者任務”，“即將進入休眠”等幾個重要的通知時刻：

系統剛剛喚醒 ： 系統執行在三級環的內環，處理器剛剛被中斷喚醒，需要啟用系統層級別的外設，比如 SPI 匯流排等；

已經完成初始化： 系統已經切換至三級環的外環，控制權準備釋放給使用者程式，通常在此時初始化使用者任務；

執行使用者任務 ： 系統執行在三級環的外環，此時協議棧程式也在同層級平行運作，使用者程式執行完了之後，需要釋放控制權給系統，通知系統進入睡眠模式

即將進入休眠 ： 系統執行在三級環的中環，所有的資料都已經傳送完畢或者超時終止，即將重新進入睡眠模式，通知使用者關閉外設，執行任務的清理或者重置工作。

對於不太複雜的系統，通常僅僅需要實現上述四個通知的回撥函式即可，其餘的通知可以不做處理器；對於更加複雜的系統，可以根據需要實現其他更多的回撥通知。