基于嵌入式DSP應(yīng)用的低功耗優(yōu)化策略

　　DSP RTOS如何滿足低功耗設(shè)計(jì)要求

　　一部分最重要的并得到普遍認(rèn)可的技術(shù)方法可以融合到RTOS中，相關(guān)的技術(shù)包括：閑置、關(guān)閉活動(dòng)電源、器件驅(qū)動(dòng)程序通知、內(nèi)存管理、電壓/頻率調(diào)節(jié)。然而，由于設(shè)計(jì)目標(biāo)不盡相同，將這些技術(shù)構(gòu)建到RTOS中并不容易。設(shè)計(jì)師需要在這些方法中做出選擇，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)就是高效性、靈活性以及與操作系統(tǒng)本身的松散關(guān)系。

　　TI的DSP/BIOS操作系統(tǒng)的電源管理器(PWRM)非常適于用作現(xiàn)有RTOS的電源管理模塊。盡管以下描述的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是針對(duì)DSP/BIOS，但其概念可很容易地運(yùn)用到其他操作系統(tǒng)，甚至用于無操作系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

　　電源管理器的要求

　　電源管理器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求如下：

　　1. 管理決策必須由應(yīng)用觸發(fā)，而不是操作系統(tǒng)觸發(fā)；

　　2. 電源管理活動(dòng)應(yīng)當(dāng)針對(duì)大部分應(yīng)用代碼透明；

　　3. 電源管理器必須支持電壓與頻率(V/F)調(diào)節(jié)，并充分利用芯片的空閑與睡眠模式；

　　4. 電源管理器必須在應(yīng)用代碼、驅(qū)動(dòng)程序以及操作系統(tǒng)本身范圍內(nèi)協(xié)調(diào)電源事件處理，并在發(fā)生特定事件時(shí)向客戶端發(fā)出通知；

　　5. 電源管理特性必須在任何線程環(huán)境中可用，并且還必須對(duì)特定客戶端的多個(gè)實(shí)例可用(如一個(gè)器件驅(qū)動(dòng)程序的多個(gè)實(shí)例)；

　　6. 在向客戶端發(fā)出電源事件通知時(shí)，電源管理器必須支持事件處理的延遲完成，并在等待延遲客戶端的完成信號(hào)的同時(shí)通知其他客戶端；

　　7. 對(duì)具有不同功能的不同平臺(tái)，電源管理器必須是可擴(kuò)展的和可移植的。

　　為滿足上述的關(guān)鍵要求，可將電源管理器作為DSP/BIOS的附屬模塊添加，如圖1所示。電源管理器位于內(nèi)核之外，它不是系統(tǒng)中的一項(xiàng)任務(wù)，而是一組可在應(yīng)用控制線程以及器件驅(qū)動(dòng)程序環(huán)境中執(zhí)行的API。

　　圖1. 電源管理器分區(qū)

　　這意味著無需修改內(nèi)核，但在CPU時(shí)鐘與操作系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘相結(jié)合的平臺(tái)上，DSP/BIOS時(shí)鐘模塊(CLK)需要補(bǔ)充例程(routine)，這對(duì)頻率縮放非常重要，因?yàn)檫@些例程能夠使OS時(shí)鐘適應(yīng)PWRM的客戶端。

　　電源管理器通過寫入并讀取時(shí)鐘空閑配置寄存器，并通過控制CPU時(shí)鐘速率及穩(wěn)壓電路的特定平臺(tái)功率擴(kuò)展庫(PSL)，直接與DSP硬件相連接。PSL將電源管理器及應(yīng)用的其他部分與頻率和電壓控制硬件的低層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)相隔離。

　　電源管理器擁有若干個(gè)與應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)。由設(shè)計(jì)工程師對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)配置，并在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)用：

　　1．空閑時(shí)鐘域―電源管理器提供的接口可使特定時(shí)鐘域處于空閑狀態(tài)，從而降低功耗。此外，它還可以在OS空閑循環(huán)的適當(dāng)點(diǎn)提供能自動(dòng)使DSP CPU和高速緩存處于空閑狀態(tài)的機(jī)制。

　　2．降低引導(dǎo)時(shí)間的功耗―電源管理器包含一個(gè)鉤子機(jī)制(hook mechanism)，這使開發(fā)人員能夠設(shè)定省函數(shù)，以便在引導(dǎo)時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)用。

　　3．電壓及頻率(V/F)調(diào)節(jié)―電源管理器提供的接口可使應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)更改DSP內(nèi)核的工作電壓及頻率。因此，應(yīng)用程序可利用該特性根據(jù)相關(guān)的處理要求相應(yīng)調(diào)整功耗。電源管理器API可設(shè)定應(yīng)用中的電壓是否應(yīng)隨同頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及在降壓轉(zhuǎn)換過程中是否可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，轉(zhuǎn)換時(shí)延由負(fù)載而定，有可能會(huì)較長(zhǎng)；如果處理器在降壓轉(zhuǎn)換期間工作正常，則允許繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用；此外，電源管理器還包含用于查詢V/F設(shè)定點(diǎn)屬性及時(shí)延的API。

　　4．睡眠模式―電源管理器包含的配置及運(yùn)行時(shí)接口使開發(fā)人員可產(chǎn)生自定義睡眠模式，以便在非工作狀態(tài)期間節(jié)省電能。

　　5．電源事件的注冊(cè)及通知―為了調(diào)整整個(gè)應(yīng)用中的V/F調(diào)節(jié)比例、睡眠模式以及其他事件，電源管理擁有一套記錄及通知機(jī)制，以使諸如應(yīng)用代碼、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、打包的內(nèi)容以及OS時(shí)鐘模塊能針對(duì)會(huì)影響到他們的特定事件進(jìn)行記錄，以便通知。這些電源事件如“即將更改 V/F 設(shè)定點(diǎn)”、“完成更改V/F 設(shè)定點(diǎn)”、“進(jìn)入睡眠模式”、“從睡眠模式中喚醒”以及出現(xiàn)“電源故障”等。通知進(jìn)程(notification process)是電源管理器的重要特性。當(dāng)無需通知時(shí)可使用“未登記”功能。

　　策略實(shí)施

　　上面已經(jīng)建立了提高電源效率的基礎(chǔ)，下一步工作就應(yīng)該確定開發(fā)高效率應(yīng)用的策略，并充分利用OS中的部分方法及支持。

　　所建議的策略包括以下11個(gè)步驟。該策略具有可重復(fù)性：當(dāng)無法滿足電源管理目標(biāo)，或者需要采用額外的運(yùn)行時(shí)方法才能滿足應(yīng)用的電源預(yù)算時(shí)，就可重復(fù)這些步驟。

　　1. 從最初就考慮到電源效率；

　　2. 選擇低功耗組件；

　　3. 對(duì)電源進(jìn)行建模和估測(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件測(cè)試；

　　4. 針對(duì)電源管理和測(cè)量設(shè)計(jì)具備鉤子機(jī)制的硬件；

　　5. 構(gòu)建可大幅提高工作效率的軟件；

　　6. 啟用簡(jiǎn)單的電源管理開／關(guān)機(jī)切換；

　　7. 在無電源管理的情況下也可先進(jìn)入工作；

　　8. 重復(fù)開啟“開機(jī)”特性，并測(cè)量功耗開銷(payoff)；

　　9. 開啟代碼生成優(yōu)化功能、重置代碼及數(shù)據(jù)，并調(diào)整“熱點(diǎn)”監(jiān)測(cè)；

　　10. 進(jìn)行校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)頻率及電壓的最低；

　　11. 激活并應(yīng)用所有的電源管理特性。

　　選用現(xiàn)成的DSP*估板5509A EVM PLUS板作為測(cè)試平臺(tái)，該*估板不僅支持V/F調(diào)節(jié)，還包含針對(duì)DSP內(nèi)核與總體系統(tǒng)電源測(cè)量的鉤子機(jī)制。

　　需要注意的是，EVM作為易于使用的*估平臺(tái)，并未在出廠時(shí)提供最佳功耗配置。另外，在*估效果時(shí)應(yīng)謹(jǐn)記由于其易于配置，所以EVM上測(cè)量的總體系統(tǒng)電源數(shù)量就應(yīng)多于通常情況下部署的平臺(tái)。EVM還能以DSP內(nèi)核級(jí)與系統(tǒng)級(jí)兩種方法測(cè)量各種技術(shù)的有效性。

　　步驟1無需解釋。步驟2及4基本上都由這種特殊EVM完成，這充分表明了該平臺(tái)的廣泛適用性。步驟3(試驗(yàn))在EVM上進(jìn)行，目的是測(cè)量各種技術(shù)的效果(如片上與片外存取的內(nèi)核及系統(tǒng)電源、DMA與CPU傳輸?shù)谋容^、空閑外設(shè)及時(shí)鐘域的作用等等)。