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便攜系統(tǒng)中微處理器功耗的設計考慮

作者: 時間:2006-05-07 來源:網絡 收藏

市場對高性能和新特色產品的持續(xù)需求給便攜設備的設計為員出了種種難題。在許多情況下,設計已達到所允許功耗的極限。計算機和電話用戶往往不原使用電池壽命太短的產品。所以,最佳的解決方案是降低電路的功耗--從微處理器開始,它是系統(tǒng)的核心并且消耗的功率最大。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/241586.htm

通常,處理器是最主要的功耗部件,盡管便攜設備的其他部件也消耗不少功率。例如在筆記本計算機中,磁盤驅動、顯示和圖形電路與微處理器爭用可用電池功率。在通信設備(如數(shù)字蜂窩電話)中,其RF電路的功耗與基帶處理器的功耗不相上下。所以,做為設計工程師必須擬定功率預算,并確定不同特性的相對優(yōu)先次序。

在Intel公司出版的“Mobile Power Guidelines 2000”中,建議筆記本計算機功率預算分配5W給微型筆記本計算機的處理器,9.5W給全特性筆記本計算機的處理器(見表1)。兩種類型筆記本計算機都假定包含硬盤驅動器(功耗1.4W左右),但只有較大型的才包含DVD驅動器(功耗1.4W)。同樣,微型筆記本計算機給顯示器分配的功紡較少(2.8W對4.3W)。正如在Interl例子中可看到的那樣,任何所需功率的削減必須在各個方面進行,而不僅僅是在處理器方面。即使微處理器的效率不斷提高,處理器功率的顯著低通常也要對性能加以權衡。所以,對處理器性能的要求必須與對其他特性(如DVD驅動器)的要求加以平衡。

困難的相互比較

不同類型微處理器(CISC,RISC或DSP)的額定功率是不同的,這是因為它們針對不同的應用。對于一給定的類型,不同的制造商也規(guī)定在不同條件下的額定功率。功率增加通常正比于工作負載。所以,微處理器往往被定額為每兆赫時鐘頻率需要多少瓦。但是,其他類型的處理器在某一給定的時鐘頻率下執(zhí)行更多的指令或完成更多次的運算。因此,有些廠商喜歡標定每瓦功耗完成多少Mips(每秒百萬條指令)或MOPS(每秒百萬次運算)。

遺憾的是,廠家兜售的數(shù)值大多并沒有給為們所需的信息。人們希望知道在特定應用中在正常工作條件下的功耗。很多微處理器廠商給出在空載條件下的功率,而不是峰值性能。因此,最好的辦法是標定一種很近似于實際應用的標準基準測試。Intel 公司對筆記本計算機所建議的功率預算是基于3-D WinBench測試的,這種測試包含圖形密集的指令混合比例。因此,針對微型筆記本計算機應用的帶L2高速緩存的Mobile Pentium II處理器的峰值功率為6W、休眠功率為0.36W、平均3-D WinBench 功率為5W.

降低功耗的一個方法是在處理器芯片中增加更多外設元件,以避免需要功耗的線路驅動器。由于避免了寄生電感和電容,這種方法也有助于改進整機性能。當然,增加電路元件仍將會增加芯片的總功耗。

性能提高

為通用PC和工作站而設計的Interlx86和Pentium 微處理器總是需要較大的功率,這是因為其大的指令系統(tǒng)和復雜的體系結構所致。然而,隨著便攜計算機的出現(xiàn),Interl公司不得不針對移動設備市場推出其處理器的較低功率型。現(xiàn)在Interl提供Celeron和Pentium II處理器的移動型。移動型Celeron的時鐘頻率高達366MHz,而移動型433MHz型今年每三季度推出。Interl今年底將推出Copper-minePentium III的移動型,工作在600MHz以上。

所的Interl 移動型微處理器現(xiàn)在都采用PGA(引腳網格陣列)插座。原來Celeron處理器為了降低成本不包含L2高速緩存,而而在包含128kB片上L2高速緩存,而Pentium II和Pentium III的L2為256 kB。當然,現(xiàn)在所有處理器都包含32 kB L1高速緩存。Celeron型在Intel 的移動型處理器中功耗最低。由于移動型Celeron的Quick Start能節(jié)特性,便利處理器的空載功率只有0.4W,而采用MMX技術的Pentium處理器功率為1.1W。

通常,較新的處理器比其原先的型號具有更高的功效。使用片上L2高速緩存既提高了性能又在實際上降低了功耗(與使用同樣大小的外部L2高速緩存相同)。同樣,并行處理技術是既提高性能又不大幅增加功耗的有效方法。除超標量和超流水線硬件結構外,Intel 的新芯片包括用于特殊多媒體指令的SIMD(單指令,多數(shù)據(jù))處理技術。大多數(shù)高性能微處理器現(xiàn)在采用0.25μm工藝,而下一代將用0.18μm。所以功率/性能比繼續(xù)下降。

圖1示出Hitachi公司RISC微處理器猛增的性能與功率關系。SuperH 家族的最新RISC微處理具有1000Mips/W,每瓦的性能是3年前早期型號的5倍。Hitachi公司希望將來的RISC處理器達到2000Mips/W。除具有更快的處理速度外,SH-4系列中新的32位RISC芯片包含一個PCI(2.1版本)接口以避免I/O性能瓶頸。

更激烈的競爭

除了更高的電路密度和吸引人的移動設備市場外,增強競爭力是迫使Intel 公司大幅降低它的微處理器功耗和成本的另一因素。有些參與競爭的公司(如AMD)經慎重考慮已瞄準移動應用。最近市場報告指出,今年4月份AMD的市場份額為44%,Intel為51%,而18個月以前Intel在同一移動型處理器市場的份額超過99%。

在處理器型號方面,AMD的移動型K6-2現(xiàn)在是市場的主導產品,這要歸功于Toshiba和Compaq公司在流行的筆記本計算機中采用它。AMD的處理器的功耗與Intel的類似處理器的功耗相當。例如,具有3DNOW技術的AMD移動型K6-2-P處理器功耗在典型應用中小于12W。而AMD的移動型處理器的處理速度比Intel的更高。例如,AMD的移動型K6-2的頻率為380MHz,而Intel的移動型Celeron和移動型Pentium II 的頻率只有366MHz。盡管Intel現(xiàn)在有400MHz的移動型Petium II,而AMD也有400MHz K6-2-P和380MHz K6-III-P。

用于K6-III-P的AMD TriLevel Cache,使其處理器家庭比Intel的移動型處理器具有更高的性能。AMD芯片具有片上64KB L1高速緩存和片上256KB L2高速緩存。另外還有100MHz總線支持高達1MB的任選外部L3高速緩存。像K6-2-P一樣,K6-III-P在典型應用中的功耗小于12W。

一個小公司Rise Technology公司以廉價、低功率并與X86兼容的處理器瞄準1000美元以下的筆記本計算機市場。該公司的mp6家庭已用0.25μm工藝投入批量生產,時鐘頻率高達266MHz?,F(xiàn)在Rise 公司正在推出時鐘頻率高達366MHz的0.18μm型的樣品。第二種0.18μm型(mp6 II)將于今年晚些時侯推出,其時鐘頻率高達466MHz。該公司聲稱,mp6和mp6 II的2V型與任何參與競爭的處理器相比,其功耗是最低的,是其他移動型處理器功耗的50%。在300MHz,Rise mp6 II的功耗典型值小于4.5W。

采用RISC

大多數(shù)移動應用不采用Intel PC體系結構。例如,Windows CE掌上計算機不用x86處理器,而用RISC處理器。PC體系結構具有系統(tǒng)軟件等優(yōu)點。但x86微處理器幾乎從來不是最有效利用電能的方案。所有的功率利用率記錄似乎都是由RISC處理器保持的。

Hitachi公司的新處理器采用0.18μm工藝技術,工作在低電壓。在1.5V,該處理器運行在133MHz,需240mW功率;d 1.8V,運行在167MHz,需要400mW。這與同樣性能的處理器相比,其電池壽命延長70%。因為處理器芯片包含一個66MHz PCI總線控制器,所以不需要外部PCI橋接芯片,減少了芯片數(shù)。

RISC芯核

當然,通過在一個定制的片上系統(tǒng)中使用一個芯核處理器可實現(xiàn)最少的芯片數(shù)(亦即最低的成本、最小的體積、最輕的重量和最少的電池消耗)。ARM和MIPS Technologies 公司成功地設計出RISC芯核,并許可其他公司把它們用在實際的產品中。

例如,NEC Electronics 把MIPS 芯核用在它的新的64位RISC處理器中,這種處理器支持Windows CE操作系統(tǒng)。這種處理器可以用于掌上PC或定制便攜產品。NEC的VR4121處理器運行在168MHz,達到224MIPS。

當然,NEC處理器包含比RISC更多的功能。完整的芯片也包括一個DSP型乘法和累加(MAC)指令,這可為便攜產品提供調制解調器性能。它也含用于中斷控制及DMA尋址和控制的電路。多達49個通用輸入/輸出(GPIO)引腳可供系統(tǒng)設計人員編程,而功率管理部分提供4種節(jié)省功率的模式:全速、維持、暫停、休眠。

類似的處理器芯片VRC4171A可為手持產品增加彩色LCD圖形和PC卡控制。這種芯片工作在3.3V,典型的功耗為250mW。它的4個可編程GPIO引腳允許與外設通信。這種芯片為處理器提供所需的圖形支持而不會導致大的功耗。隨著便攜產品開始包含彩色圖形顯示和其他多媒體特性,使得找到兼容的圖形芯片日益重要起來。

Media Q公司的MQ-200是一款用于消費類電器的圖形和顯示芯片。除控制器外,該芯片還包含DRAM和模擬電路。128位圖形引擎和兩個板上圖形控制器共享1.2GB/s片上存儲器總線,這與其他產品相比,總的圖形性能提高6位。這種芯片支持總功率預算小于4W的系統(tǒng),而典型的筆記本計算機的功率預算是20W或更高。

高集成度

對于便攜設備,使芯片數(shù)最少也將使體積最小、重量最輕、成本最低和功耗最少。在數(shù)字蜂窩電話中,芯核RISC處理器構成一個高集成度子系統(tǒng)的一部分?;鶐Р糠郑ǚ荝F部分)一般集成一個RISC微控制器、一個低成本DSP、存儲器、鍵盤和屏控制器以及連接邏輯(見圖2)。ARM公司的ARM7 TDMI很適合于這種應用。它每兆赫只消耗1.85mW,相對低的13MHz速率可同步GSM900系統(tǒng)中的微控制器。RISC芯核在芯片上只占4.9mm 2的面積。因為它可以在低的電壓下工作,所以片上存儲器往往比片外存儲器消耗更少的功率。ROM的功耗也小于SRAM。在可能的情況下,使用空載模式可節(jié)省功率。通常,片上必須包含一個鎖相環(huán),以便為DSP提供時鐘信號。

在某些應用(如媒體流處理)中處理器可由數(shù)據(jù)驅動而不是由固定頻率時鐘信號驅動。因此,只有當處理器實際工作時才消耗功率。Sharp公司的DDMP(數(shù)據(jù)驅動媒體處理器)就是這種實例。由于這種芯片缺乏一個集成開發(fā)環(huán)境,所以被人們接受非常有限。Sharp現(xiàn)在計劃把DDMP改為可重新配置的并行處理器芯核。

ARC Cores和Tensilica是兩家提供可配置的處理器的公司??膳渲眯竞瞬捎枚ㄖ浦噶钍构淖钚 2迦胍环N定制指令使一高冗余的噪聲消除算法從3000個周期下降10個周期。這樣的一種指令將延長電源壽命20~25%左右。

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