傳授壓箱絕技：從SoC設(shè)計(jì)人員那都了解不到的功耗管理問題

當(dāng)今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員受益于芯片系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)人員在芯片級功耗管理上的巨大投入。但是對于實(shí)際能耗非常小的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須要知道，實(shí)際是怎樣進(jìn)行SoC功耗管理的。他們必須對整個系統(tǒng)進(jìn)行功耗規(guī)劃。他們必須針對最終用戶體驗(yàn)到的系統(tǒng)使用模式建立精確的模型。這些都不是簡單的任務(wù)，把所有這些方法合在一起也還不夠。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須要理解片內(nèi)功耗管理過程以及系統(tǒng)其它部分之間的相互作用，或者，他們會發(fā)現(xiàn)，盡可能降低功耗會導(dǎo)致效率降低，甚至是嚴(yán)重的故障。

　　這些難題并不會隨時間變化而逐漸變得簡單。芯片設(shè)計(jì)人員在提高能效方面嘗試了很多方法，提出了聽起來非常激進(jìn)的想法。在今年的設(shè)計(jì)自動化大會（DAC）的一次小組討論中，TI專家Clive Bittlestone說：“有很多種方法，我們正在嘗試全部使用它們。芯片設(shè)計(jì)人員要盡可能降低功耗而忽略了回報，可能導(dǎo)致加重系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的工作。而對于節(jié)能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個新的前沿領(lǐng)域。Bittlestone承認(rèn)：“在晶體管級，我們已經(jīng)達(dá)到了飽和。下一最關(guān)鍵的問題是在系統(tǒng)級。”

　　SoC設(shè)計(jì)人員所做的工作

　　正如Bittlestone所建議的，SoC功耗管理技術(shù)所采用的方法一直在不斷增加。這包括一些很普通的方法，對管芯之外的任何東西都是透明的。但是，也有需要系統(tǒng)其它部分主動參與的方法，有些對外部電路還會產(chǎn)生重要影響。

　　有幾種門級功耗管理方法，應(yīng)用在IC設(shè)計(jì)流程中，對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言是透明的。例如，對于基于單元設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)工具——至少一個FPGA品牌，可以在具有較大泄漏的高速單元和低泄漏電流慢速單元之間自動進(jìn)行選擇。綜合工具可以分析邏輯，插入時鐘邏輯門，關(guān)斷任何寄存器的時鐘，使得在其工作周期中看不到明顯的數(shù)據(jù)變化。這類方法能夠顯著降低功耗，不需要來自系統(tǒng)其它部分的任何輸入，對性能也不會有任何影響。

　　其它方法則需要來自系統(tǒng)管理硬件或者軟件的大量幫助。一個例子是動態(tài)電壓頻率調(diào)整（DVFS）。在DVFS中，軟件估算系統(tǒng)在某一模式下，模塊所需要的最佳性能。然后，軟件指導(dǎo)模塊——通常是CPU或者加速器，以足夠的時鐘頻率運(yùn)行，滿足系統(tǒng)要求，而電壓則剛好滿足該頻率要求。同一原理更嚴(yán)格的方法是模塊級電源選通。在這個例子中，軟件確定目前還不需要模塊，切斷模塊的電源。

　　很顯然，這些方法需要系統(tǒng)軟件知道某一模式下系統(tǒng)的資源需求，例如 圖1 所示。這些知識要求兩類很難獲得的信息：實(shí)際最終用戶將在系統(tǒng)中采用的使用模式，每一模式中的系統(tǒng)資源和性能要求。例如，用戶的智能電話要求蜂窩射頻和GPS接收器同時工作嗎？如果是，那么，GPS能夠進(jìn)入低功耗近似跟蹤模式，或者，它需要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膶?shí)時糾正嗎？確定模塊在一定時間內(nèi)需要以多快的速度運(yùn)行——即使它可能會被關(guān)斷，這并不是一個簡單的任務(wù)。

　　圖1.視頻/播放/錄像模式（頂部）、DVR回放模式（中間），以及空閑模式（底部）所需要的系統(tǒng)資源。

　　除了上面的信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須理解SoC各種功耗模式的延時和開銷成本。相對而言，這可能需要很長的時間來改變CPU的時鐘頻率，使其能夠保持狀態(tài)，關(guān)斷，然后重新恢復(fù)。系統(tǒng)中的其他器件能夠承受這些延時嗎？當(dāng)系統(tǒng)空閑時，CPU內(nèi)核能夠關(guān)斷嗎，或者需要電源失效以及喚醒等監(jiān)控功能嗎？

　　對于專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和微控制器，一般在數(shù)據(jù)表中很好的記錄了序列和延時信息。不一定記錄狀態(tài)改變時的能耗成本。即使有記錄，并不是一直能夠掌握SoC中的哪些模塊在一定時間內(nèi)工作在哪一級。

　　SoC規(guī)劃人員提醒說：“這些芯片非常復(fù)雜。會有很多不同的功耗管理方法同時在工作。坦白的說，對于芯片而言最重要的方法是保密的——我們并沒有記錄它們?！?/P>

　　只要您使用供應(yīng)商的參考設(shè)計(jì)，按照其設(shè)計(jì)人員提供的方法進(jìn)行工作，那么，朋友之間最好保持一些秘密。但是，如