基于嵌入式DSP系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化設計

無線系統(tǒng)及有線系統(tǒng)設計師均必須重視電源效率問題，盡管雙方的出發(fā)點不盡相同：對于移動設備而言，更長的電池使用壽命、更長的通話時間或更長的工作時間都是明顯的優(yōu)勢，降低電源要求意味著使用體積更小的電池或選擇不同的電池技術，這在一定程度上也緩解了電池發(fā)熱問題；對于有線系統(tǒng)而言，設計師可通過減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風扇噪聲來提高電池效率。人們很少會提到這樣一個事實：提高電源效率還可節(jié)省空間，而節(jié)省的空間可以用來增加能夠提高系統(tǒng)性能的組件，尤其是設計小組希望添加一個以上處理器時，這一點非常重要。

　　設計嵌入式DSP處理器或系統(tǒng)功耗要求嚴格的系統(tǒng)時，采用DSP專用技術、操作系統(tǒng)及其支持軟件可以降低功耗。超越傳統(tǒng)技術的DSP或雙處理器設計在節(jié)約能量方面表現出色。

　　功耗基礎知識

　　互補金屬氧化物半導體（CMOS）電路的總功耗是動態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和：

　　當門發(fā)生邏輯狀態(tài)轉換并產生內部結點充電所需的開關電流以及P通道及N通道同時暫態(tài)開啟引起直通電流時，就會出現動態(tài)功耗。通過以下公式可以估算其近似值：

　　其中，Cpd為動態(tài)電容，F為開關頻率，Vcc為電源電壓，而Nsw為轉換的比特數。另外，電壓（Vcc）決定著穩(wěn)定工作狀態(tài)下的最大開關頻率（F）。上述關系中包含兩個重要概念：動態(tài)功耗與開關頻率呈線性關系，與電源電壓呈二次關系；最大安全開關頻率取決于電源電壓。為便于本文討論，將特定的頻率及電壓對稱為“設定點”。

　　很顯然，降低CPU時鐘速率將相應成比例地降低動態(tài)功耗，由于動態(tài)功耗與電源電壓成二次關系，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，通過降低電壓就可能大大降低功耗。不過，對于特定任務集，降低CPU時鐘速率也會成比例地延長執(zhí)行該任務集的時間，因此必須仔細分析應用以確保滿足其實時需求。

　　靜態(tài)功耗主要是由于晶體管漏電流造成的。一般說來，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動態(tài)功耗相比可以忽略不計。嵌入式應用在不工作期間通常會“閑置”CPU時鐘以減少動態(tài)功耗，從而顯著降低總體功耗。而在未來的設計中必須特別關注靜態(tài)功耗問題，因為更高性能的新型晶體管的漏電流將顯著提高。

　　嵌入式系統(tǒng)常用技術

　　常用電源管理技術可以分為兩類：通過早期硬件設計決策時實現，或在系統(tǒng)運行時實現。設計早期的決策對滿足性能及功耗至關重要，下面列出了設計中需要考慮的十大要素，其中包括硬件選擇、設計策略及架構選擇。大多數要素都是嵌入式系統(tǒng)的基本要求，其他要素則需要單獨考慮。盡管下列決策是在設計早期制定的，但有些仍需在整個設計周期中進行再驗證。如下所列：

　　1. 選擇低功耗組件；

　　2. 分割電壓與時鐘域；

　　3. 支持電壓及頻率調節(jié)功能；

　　4. 啟用保持電壓門控功能；

　　5. 通過軟件利用中斷減少輪詢；

　　6. 采用分級存儲器模型；

　　7. 降低輸出負載；

　　8. 系統(tǒng)啟動時關閉非關鍵資源供電；

　　9. 盡量減少活動PLL數量；

　　10. 使用時鐘分頻器快速變換頻率。

　　確定系統(tǒng)架構以后，設計團隊需要將注意力轉向系統(tǒng)運行時環(huán)境。以下列出的14項，在設計過程中要始終關注其中大部分內容：

　　1. 不需要時則關閉門控時鐘；

　　2. 引導過程中主動關閉不必要的功耗；

　　3. 僅在需要時用向子系統(tǒng)供電；

　　4. 激活外設低功耗模式；

　　5. 充分利用外設活動狀態(tài)檢測器；

　　6. 使用自動刷新模式；

　　7. 對應用進行基準測試來確定必需的最小頻率及電壓；

　　8. 根據總體活動情況調整CPU頻率及電壓；

　　9. 動態(tài)調節(jié)CPU頻率及電壓以匹配預計的工作負載；

　　10. 優(yōu)化代碼的執(zhí)行速度；

　　11. 使用低功耗代碼序列及數據模式；

　　12. 使用代碼覆蓋技術減少對高速內存的需求；

　　13. 更換電源時進入簡化功能模式；

　　14. 平衡精確度與功耗的關系。

　　有經驗的設計團隊必須至少在概念上熟悉上述嵌入式系統(tǒng)應用設計要點（其中部分與DSP電路有關）。任何降低功耗的設計都有可能對性能產生負面影響或導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

　　DSP RTOS如何滿足低功耗設計要求

　　一部分最重要的并得到普遍認可的技術方法可以融合到RTOS中，相關的技術包括：閑置、關閉活動電源、器件驅動程序通知、內存管理、電壓/頻率調節(jié)。然而，由于設計目標不盡相同，將這些技術構建到RTOS中并不容易。設計師需要在這些方法中做出選擇，設計的關鍵目標就是高效性、靈活性以及與操作系統(tǒng)本身的松散關系。

　　TI的DSP/BIOS操作系統(tǒng)的電源管理器（PWRM）非常適于用作現有RTOS的電源管理模塊。盡管以下描述的設計實現是針對DSP/BIOS，但其概念可很容易地運用到其他操作系統(tǒng)，甚至用于無操作系統(tǒng)的應用環(huán)境。