如何處理好嵌入式DSP設(shè)計中的功耗優(yōu)化

圖1：工作功耗和待機(jī)功耗

了解功耗分布有助于設(shè)計人員選擇一個具功率效率的處理器，因為在某些類型的應(yīng)用中，DSP的基本CMOS技術(shù)可能對功耗產(chǎn)生很大的影響。先進(jìn)的CMOS工藝則基于工作電壓極低的高性能晶體管。根據(jù)既定應(yīng)用，可以量身定做晶體管，通過對靜態(tài)電流進(jìn)行鉗位把功耗降至最小，或把性能提高到最大，盡管這樣會稍微增加泄漏電流。專門為手機(jī)這樣的待機(jī)時間很長的應(yīng)用而設(shè)計的DSP，可通過低泄漏晶體管把靜態(tài)電流降至最低，而為總是處于激活狀態(tài)的高性能應(yīng)用而設(shè)計的DSP則較青睞開關(guān)速度更快的晶體管。

系統(tǒng)使用還包括系統(tǒng)對各種事件的響應(yīng)，以及電路接通電源時的延遲。初始上電時可能有一些延遲，而系統(tǒng)從待機(jī)模式被喚醒時，較小的延遲是可以接受的。但用戶一般都期望處于激活工作狀態(tài)的系統(tǒng)能夠即時響應(yīng)，故而這時片上功能不能處于深度睡眠模式。這里有兩方面的考慮：第一，部分功能可以較其它功能更徹底地關(guān)斷，尤其是在待機(jī)期間，激活工作期間也如此。第二，處理器的功率模式控制能力越精細(xì)，設(shè)計人員就越能夠進(jìn)行充分的功耗調(diào)節(jié)以適合系統(tǒng)的操作情況。

高功率效率的DSP芯片設(shè)計通過建立電源域，使應(yīng)用能夠切斷不在使用中的功能的時鐘輸入，從而把所有這些因素都考慮在內(nèi)了。正如處理內(nèi)核能夠進(jìn)入睡眠模式，此時它不執(zhí)行任何操作，直到被中斷信號喚醒，外設(shè)和存儲器模塊也同樣可以被置于睡眠模式，在需要時才被喚醒。無時鐘輸入功能中的晶體管除靜態(tài)電流之外，沒有什么功耗，而恢復(fù)時鐘所需的喚醒延遲被減至最小。系統(tǒng)設(shè)計人員在考慮其產(chǎn)品的使用情況時，還需要考慮到在為各項功能提供時鐘方面，DSP能夠提供多少控制能力，或是否能夠自動處理。

節(jié)能DSP內(nèi)建的另一項功能是能夠調(diào)節(jié)核心電壓和頻率。如果DSP可降低核心時鐘速率并仍然滿足其處理要求，則工作功耗會相應(yīng)地按比例節(jié)省。更低的頻率加上更低的工作電壓，可以節(jié)省相當(dāng)可觀的能量。可以在系統(tǒng)啟動時調(diào)節(jié)電壓和頻率以適于整個系統(tǒng)的運行，也可以在應(yīng)用需要改變時通過軟件對之予以動態(tài)控制，這就為非峰值處理期間的功耗削減提供了一種重要的手段。

正確功率信息的獲得

復(fù)雜DSP系統(tǒng)可能具有多個內(nèi)核、應(yīng)用和管理模式，這使得對功率的估算極其困難。傳統(tǒng)的功率確定方法基于某些信息來實現(xiàn)，比如器件數(shù)據(jù)手冊上注明的最大電流值，每周期或每條指令的耗電量(mA/MHz, mA/MIPS)以及測試案例等。

這些方法只能用來做粗略估算，但對內(nèi)核、外設(shè)和片上存儲器可以根據(jù)應(yīng)用和操作模式進(jìn)行獨立開關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)而言，是不足以估算DSP功耗的。設(shè)計人員需要清楚了解實際應(yīng)用中片上各項功能的具體功耗，因為實際的功率信息使他們能夠更加精確地估算出不同實現(xiàn)方案的結(jié)果，并測定出在不同平臺上應(yīng)用是如何影響功耗的。

在DSP制造方面，所需要的是模塊化的功率估算方案，即把設(shè)備劃分為若干子系統(tǒng)，然后獨立運行每一個子系統(tǒng)。一旦確定了每一個片上功能的最大功率值和空閑功率值，就可以通過插值法為一個功能建立一條功耗曲線。于是，在明確了每一功能的運行級別之后，可以把從各條曲線獲得的功率值累加，最后給出整個設(shè)備的實際功率估算值。

圖2是一個功率估算電子數(shù)據(jù)表，它把一個典型的DSP分解為若干個子系統(tǒng)，由用戶輸入相關(guān)參數(shù)，然后可以返回設(shè)備的功率估算值。就像這個電子數(shù)據(jù)表所顯示的，估算是否正確取決于用戶提供的信息是否反映出對系統(tǒng)使用方式的良好了解，包括數(shù)據(jù)寬度、頻率、電源電壓和使用中外設(shè)的可用帶寬的百分比等因素。

圖2：功耗估算

低功耗設(shè)計

具有功耗意識的設(shè)計(Power-conscious design)技術(shù)可以幫助DSP設(shè)計人員充分利用正確的功率估算。在系統(tǒng)級，設(shè)計人員應(yīng)該精心選擇相關(guān)元件，使其數(shù)目盡可能地低。此外，設(shè)計人員還應(yīng)該考慮到哪些未使用的元件可以置于省電模式，尤其是在待機(jī)期間。板級存儲器的使用也是一個功率消耗源，因為必須同時給存儲器芯片和電路板跡線供電。

應(yīng)用應(yīng)該盡可能地使用DSP的內(nèi)部存儲器，以保持片上大帶寬存儲，把外部存儲器保留用作偶爾的低速存取。片外存儲器也可以很好地完成啟動工作，但應(yīng)該在啟動后被置于省電模式。為了減少存儲器中的代碼量和所取指令的數(shù)量，應(yīng)該優(yōu)化軟件提升性能。更緊湊的代碼有助于更好地利用緩存和內(nèi)部指令緩沖器，而且運行速度更快，故能減少系統(tǒng)處于激活模式的時間。

大多數(shù)特定設(shè)備都是利用DSP的內(nèi)建硬件能力來降低功耗的。從一啟動開始，應(yīng)用設(shè)備就 可以讓不使用的模塊處于空閑狀態(tài)，外設(shè)功耗只限用于那些在指定時間才需要的I/O 。應(yīng)用通常在啟動時就直接控制各個模塊，稍后，DSP內(nèi)核可以后臺執(zhí)行一個循環(huán)來檢測哪些功能不需要，然后把它們關(guān)斷。如果應(yīng)用采用了這些技術(shù)，芯片的睡眠模式就可以把空閑期間內(nèi)核及芯片的功耗降至最低。

若所要求的總體性能不等于設(shè)備的全部能力，則可以在啟動時就對DSP內(nèi)核電壓和頻率(V/F)進(jìn)行調(diào)節(jié)。若系統(tǒng)在具有不同性能負(fù)載的應(yīng)用間更替，V/F調(diào)節(jié)也可以在運行期間動態(tài)進(jìn)行。要實現(xiàn)V/F調(diào)節(jié)，設(shè)計必需提供DSP外部電源電壓控制，以及內(nèi)建于后臺循環(huán)程序的軟件控制。由于頻率調(diào)節(jié)減慢內(nèi)核的運行速度，設(shè)計人員在應(yīng)用設(shè)計中應(yīng)該考慮到相互關(guān)聯(lián)的各個操作間的時序問題。

OS中的功率管理

不論是通過V/F調(diào)節(jié)還是通過低功耗模式來動態(tài)改變系統(tǒng)的功率要求，都需要涉及到DSP的實時操作系統(tǒng)(RTOS)。RTOS中的功率管理(PM)模塊能夠在啟動時實現(xiàn)功耗節(jié)省，并在整個系統(tǒng)上協(xié)調(diào)各個低功耗操作。

內(nèi)核頻率調(diào)節(jié)會影響子系統(tǒng)操作的時序，因此PM能夠在完成頻率調(diào)節(jié)之后進(jìn)行時鐘調(diào)節(jié)。如果對應(yīng)用來說OS時鐘精度不重要，或者是用戶希望節(jié)省空間，則可以不使用PM功能

此外，當(dāng)線程被阻斷時，用戶還可以激活或停用自動使時鐘處于空閑狀態(tài)的PM功能。在其協(xié)調(diào)作用中，PM提供了一種用于功率事件通知的注冊功能，當(dāng)特定功率管理事件發(fā)生時，客戶可以注冊通知，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，PM支持多個客戶端并允許客戶延遲事件的完成。

PM還提供了一個應(yīng)用編程接口(API)庫，可實現(xiàn)芯片的低功率技術(shù)軟件控制。通過這些API，應(yīng)用能夠門控時鐘，激活睡眠模式并安全管理V/F調(diào)節(jié)設(shè)置點之間的晶體管。這些設(shè)置點作為調(diào)節(jié)參數(shù)，使V/F能夠按照正確的順序降低和提高，而且具有正確操作所必需的設(shè)置時間。

下面圖3顯示了設(shè)置點是如何控制V/F調(diào)節(jié)的時序的。由于電壓和頻率調(diào)節(jié)對設(shè)計中所用的DSP和電壓調(diào)節(jié)器是特定的，PM API支持設(shè)置點延遲查詢和配置，同時PM庫可被重建。

圖3：功耗調(diào)節(jié)結(jié)果

工具的輔助開發(fā)功能

要有效解決上述所有技術(shù)問題，需要一些專門為功率管理而設(shè)計的工具。類似于DSP工具開發(fā)的其它領(lǐng)域，功率優(yōu)化工具也致力于提供可視化和易于使用的優(yōu)勢，以幫助簡化系統(tǒng)分析并縮短上市時間。

這些工具結(jié)合DSP的嵌入式及RTOS功率管理技術(shù)，可以提供計量表、示波器波形、信道校準(zhǔn)、測試代碼和事件觸發(fā)等等測試功能。利用這些便捷功能，設(shè)計人員可得到一個反饋機(jī)制，憑此評估各個實現(xiàn)方案對功耗的影響，最終獲得一個最佳方案。

圖4顯示了在設(shè)計周期中，集成的硬件和工具平臺，比如國家儀器有限公司(National Instruments)的C55x電源優(yōu)化DSP入門套件(DSK)，能夠如何以及在什么地方幫助開發(fā)人員在不同的設(shè)計環(huán)境下評估DSP的功耗，從而使是他們能夠更迅速地選定最適合其系統(tǒng)的最佳低功耗/高性能總體方案。

圖4：功耗優(yōu)化流程

從一開始就進(jìn)行功率設(shè)計

在系統(tǒng)開發(fā)中，功率優(yōu)化有時被當(dāng)作一項事后工作來處理，但這是不對的。在開發(fā)周期中，越早考慮功率優(yōu)化問題越好，對于具有多個應(yīng)用和工作模式的復(fù)雜系統(tǒng)而言尤其如是。為了延長電池工作時間，低功耗通常是主要的要求之一，即使是線路供電系統(tǒng)也需要通過降低耗電量來減少散熱和運行成本。

為了優(yōu)化功耗，設(shè)計人員需要了解系統(tǒng)的功率分布，以提供全面的參考信息源，從而在功率估算中把所有主要的系統(tǒng)功能都考慮在內(nèi)?；诟吖β市实腃MOS工藝的DSP集成了硬件技術(shù)，比如精細(xì)定義的低功率模式和電壓/頻率調(diào)節(jié)。API使這些技術(shù)很容易通過RTOS實現(xiàn)應(yīng)用控制，測試工具可幫助設(shè)計人員估算出不同實現(xiàn)方案的功耗。利用這些資源，開發(fā)人員有充分的理由從開發(fā)周期的最開始就進(jìn)行功率設(shè)計。