Portable Products為低功耗設(shè)計(jì)選擇理想的處理器

過去，選用低功耗CPU通常意味著需要犧牲功能、降低時(shí)鐘運(yùn)行速度，或需要等待新型低功耗技術(shù)的推出才能降低待機(jī)和工作功耗?，F(xiàn)在，這種情況已得到了徹底改觀，處理器產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。處理技術(shù)的不斷發(fā)展，創(chuàng)新型芯片設(shè)計(jì)和高精度電源管理軟件的不斷進(jìn)步，為設(shè)計(jì)人員帶來了全新的低功耗處理器系列產(chǎn)品，使設(shè)計(jì)人員再也不用犧牲系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能。當(dāng)然，沒有哪種產(chǎn)品是十全十美的，因此工程師必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)需求，分析不斷豐富的低功耗處理器產(chǎn)品，選出最能滿足其應(yīng)用要求的解決方案。

本文對(duì)采用不同處理器架構(gòu)的器件在功耗、性能、集成度、上市時(shí)間及價(jià)格等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上的表現(xiàn)進(jìn)行了比較。了解處理器信息可實(shí)現(xiàn)兩大目標(biāo)：一是幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解市場(chǎng)上最新的處理器類型，其中有些可能對(duì)他們而言是相對(duì)不太熟悉的新產(chǎn)品；二是在可選產(chǎn)品日趨豐富的情況下，可進(jìn)一步幫他們縮小為既定設(shè)計(jì)選擇最佳芯片的范圍。 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表1即對(duì)采用不同低功耗處理架構(gòu)的器件進(jìn)行了五方面的比較，包括：功耗、性能、集成度、上市時(shí)間及價(jià)格。這五個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間都是彼此密切相關(guān)的。例如，在芯片上集成多個(gè)內(nèi)核、模擬特性、大容量存儲(chǔ)器或眾多外設(shè)等多種功能有助于降低系統(tǒng)總功耗與成本，并顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。但是，這樣的高集成度在某種程度上又會(huì)增加功耗，并使編程更復(fù)雜，從而延長產(chǎn)品上市時(shí)間。

功耗

對(duì)目前眾多設(shè)計(jì)而言，功耗是最重要的標(biāo)準(zhǔn)。在便攜式產(chǎn)品中，更長的電池使用時(shí)間總是更容易獲得消費(fèi)者青睞。在通信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，功耗轉(zhuǎn)換越低，熱量耗散就越少，但散熱組件可能會(huì)限制通道密度及其它特性。此外，有些設(shè)計(jì)對(duì)功耗有嚴(yán)格限制，如采用USB供電的產(chǎn)品或使用汽車電池的車載配件，這種應(yīng)用就限定僅能有幾毫瓦的運(yùn)行功率。

設(shè)計(jì)師應(yīng)該從系統(tǒng)的角度更好地認(rèn)識(shí)功耗。片上外設(shè)的正確組合有助于進(jìn)一步降低總體系統(tǒng)功耗，這不僅是因?yàn)槠馄骷?huì)消耗更多的功率，還因?yàn)樵赑CB板上的引線之間傳輸數(shù)據(jù)所消耗的電力要比在器件內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)所消耗的電力多得多。

就單獨(dú)的器件而言，其能源效率取決于工藝技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，不過高級(jí)處理器除了先進(jìn)工藝之外，還有眾多其它功能。功耗可分為兩大模式：一是工作功耗，也就是數(shù)據(jù)處理期間晶體管轉(zhuǎn)換與工作時(shí)的功耗；二是靜態(tài)功耗，即不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作或工作受限以及各部件進(jìn)入休眠模式等時(shí)消耗的功耗。

工作狀態(tài)的電源管理可采用多種方案：

動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放(DVFS)：采用DVFS技術(shù)時(shí)，軟件指令可根據(jù)工作環(huán)境所需的性能降低時(shí)鐘速率與電壓。例如，盡管多媒體處理器ARM的運(yùn)行速度可達(dá)600MHz，但并不是所有情況下都需要如此高的速率。軟件可在預(yù)定義的工作性能點(diǎn)上做出選擇，讓處理器以特定速率運(yùn)行。

自適應(yīng)電壓縮放(AVS)：芯片制造工藝會(huì)導(dǎo)致不同部件有著不同的性能分布，可利用這一特點(diǎn)來實(shí)施AVS技術(shù)。也就是說，在既定頻率要求下，有些所謂熱器件的產(chǎn)品可以較低電壓實(shí)現(xiàn)較高性能，而冷器件則做不到這一點(diǎn)。在此情況下，處理器能感測(cè)其自身的性能級(jí)別，并相應(yīng)調(diào)節(jié)電壓，以對(duì)處理、溫度及芯片衰減等方面的變化進(jìn)行補(bǔ)償。

動(dòng)態(tài)電源轉(zhuǎn)換(DPS)：該技術(shù)可確定器件某個(gè)部分是否已完成其當(dāng)前任務(wù)、目前是否還需要它繼續(xù)工作，以及何時(shí)可讓它進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或處理工作受限時(shí)，選定部件便可進(jìn)入極低的功耗模式，系統(tǒng)等待喚醒事件，這時(shí)靜態(tài)電源管理就會(huì)啟動(dòng)。通過眾所周知的靜態(tài)漏電管理方案來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電源管理，可支持多種不同的低功耗模式，其中包括待機(jī)模式，以及關(guān)斷模式。低功耗靜態(tài)模式的選擇取決于存儲(chǔ)器的維持能力和／或其是否需要快速喚醒。

憑借上述特性，大多數(shù)低功耗處理器規(guī)定的待機(jī)功耗約為15mW，且峰值工作功耗低于
400mw。德州儀器公司推出的TMS320C55x等定點(diǎn)DSP的功耗更低，盡管集成了FFT協(xié)處理器，且存儲(chǔ)器容量達(dá)320kB，同時(shí)還支持I／O外設(shè)，但其待機(jī)功耗僅為0.5mW，峰值工作功耗為75mW。

表1中的大多數(shù)器件均實(shí)現(xiàn)了低功耗特性，在功耗等級(jí)方面評(píng)級(jí)為優(yōu)。表中列為良的產(chǎn)品性能較高，通常采用多個(gè)內(nèi)核，因此功耗稍高。

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