嵌入式媒體引擎的實用電源管理

2004年10月B版

目前，可用的電源管理技術(shù)很多，人們也在積極研究許多新技術(shù)。遺憾的是最有效的技術(shù)常常與操作系統(tǒng)及應(yīng)用框架發(fā)生沖突。新技術(shù)往往相當復(fù)雜，并針對特定的專門應(yīng)用進行優(yōu)化，在多用途計算平臺上的適用性也時常受限制。本文首先總結(jié)了普通的節(jié)電技術(shù)，然后介紹一些效果更好 (higher-payoff) 的技術(shù)(CPU 時鐘閑置以及電壓與頻率縮放)，并將介紹這些支持技術(shù)如何集成為輔助電源管理器模塊，從而成為數(shù)字信號處理器 (DSP) 的實時操作系統(tǒng)。在此提供了一個音頻應(yīng)用實例，說明如何利用該架構(gòu)大幅提高功效。本文是專門介紹低功率設(shè)計的上下兩部分系列文章中的第一篇。第二篇文章將集中討論外設(shè)及 I/O 電源管理技術(shù)，將節(jié)電擴展到 CPU 內(nèi)核范疇之外。

圖1   電源管理器分區(qū)

節(jié)電技術(shù)
CMOS 電路的總功耗是活動功耗與靜態(tài)功耗之和。電路工作或從一種邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種邏輯狀態(tài)時會產(chǎn)生活動功耗；電路未發(fā)生轉(zhuǎn)換時會發(fā)生靜態(tài)功耗，主要是由于晶體管漏電流造成的。活動功耗近似值的計算方程式如下：Pactive ~ Cpd x F x Vcc2 x Nsw
這里的 Cpd 為動態(tài)電容，F(xiàn) 為開關(guān)頻率，Vcc 為電源電壓，而 Nsw 為轉(zhuǎn)換的比特數(shù)。從上述方程式中看到，最簡單的節(jié)約活動功耗的方法就是停止電路計時，即設(shè) F為零，讓 Pactive 為零。許多 CPU 都有“閑置”或“停止”指令以實現(xiàn)此目的，在 CPU 等待中斷時通過門控使內(nèi)部 CPU 時鐘關(guān)閉。此外，一些處理器還包括分立控件，可通過門控關(guān)閉非 CPU 時鐘域，如高速緩存、DMA、外設(shè)、時鐘脈沖發(fā)生器等。
回過頭再來看上面的方程式，如果應(yīng)用在降低 CPU 時鐘速率時仍可滿足處理要求，則就能相應(yīng)成比例地節(jié)約活動功耗。如果 CPU 頻率可安全降低，而且該頻率與 CPU 可用的較低工作電壓兼容，那么由于 Vcc 的二次關(guān)系，通過降低電壓就可能額外大大降低功耗。不過，降低 CPU 時鐘速率也會成比例延長執(zhí)行任務(wù)的時間，這就要求認真分析應(yīng)用，看看其能否仍能滿足實時要求。表 1 給出了常用的硬件設(shè)計技術(shù)總結(jié)，表 2 則給出了常用的運行時間節(jié)電技術(shù)。

為 OS 添加電源管理支持
時鐘閑置以及動態(tài)頻率與電壓的縮放對總體應(yīng)用和操作系統(tǒng)本身都會產(chǎn)生巨大影響，這常常是實現(xiàn)上述技術(shù)的一個障礙，例如，如果 CPU 頻率的縮放是動態(tài)的，就可能影響 OS時間基，而且會導(dǎo)致時鐘與 CPU 時鐘相關(guān)聯(lián)的外設(shè)驅(qū)動程序的故障。同樣，如果某項任務(wù)在等待 I/O 完成時任意使 CPU 閑置，那就很容易導(dǎo)致應(yīng)用死鎖。因此，為了積極采用上述技術(shù)，OS 功耗必須低 (power aware)，某些操作責任(如 CPU 時鐘閑置)必須由 OS 來承擔。
德州儀器(TI)的 DSP/BIOS操作系統(tǒng)增加了電源管理器模塊(PWRM)作為輔助模塊，如圖1所示。
電源管理器與 OS 內(nèi)核聯(lián)系松散，位于該內(nèi)核的旁邊；它不是作為系統(tǒng)中的另一項任務(wù)，而是作為一組 API 存在，在應(yīng)用控制線程與器件驅(qū)動器環(huán)境下執(zhí)行。
表 3 總結(jié)了電源管理器的運行時間 API。通過上述 API，電源管理器可支持電壓及頻率 (V/F) 縮放、僅頻率縮放、時鐘域閑置、OS 閑置時間內(nèi)配置時鐘的自動閑置，而最重要的則是整個應(yīng)用中的用電事件之間得處理協(xié)調(diào)(如應(yīng)用代碼、驅(qū)動程序以及 OS 本身)，從而通知注冊的客戶端 (client) 特定用電事件何時發(fā)生。用電事件的實例為：將要縮放頻率，縮放頻率完成，進入深度睡眠狀態(tài)，從深度睡眠狀態(tài)蘇醒，電力不足等。電源管理活動是觸發(fā)式應(yīng)用；更改 DSP 操作模式或功能的主要決定由應(yīng)用做出，并通過調(diào)用電源管理器提供幫助。
通過寫入時鐘閑置配置寄存器，以及控制著 CPU 時鐘速率與穩(wěn)壓電路的平臺專用功耗調(diào)整程序庫 (PSL)，PWRM 直接與 DSP 硬件相連。PSL 將 PWRM 及應(yīng)用的其它部分與頻率及電壓控制硬件的低電平 (low-level) 實施細節(jié)相隔離，確保在所支持的電壓與頻率組合(設(shè)定點)間實現(xiàn)安全過渡。

音頻實例
以簡單的音頻應(yīng)用作測試工具 (vehicle)并作為測試電源管理器特性效率的基準。該應(yīng)用經(jīng)過修改可測量激活不同節(jié)電特性時的效果。電流感測電阻器主板電源以及 DSP 內(nèi)核電源串聯(lián)，并用伏特計測量電阻器上的壓降以確定主板及 DSP 內(nèi)核的電流。表 4 概括了上述結(jié)果。

結(jié)語
采取分階段的方法來實施電源管理可大大降低功耗。不必等目前正在進行的新技術(shù)研究取得成果；在某些情況下，將基本而實用的一些關(guān)鍵支持技術(shù)結(jié)合到操作系統(tǒng)或應(yīng)用框架中就可實現(xiàn) CPU 節(jié)電達 95% 以上。電源管理支持的設(shè)計方式可做到：方便易用，允許開發(fā)人員選取滿足具體應(yīng)用要求的特定技術(shù)，而且非常便于攜帶。該框架可作為跳板，為添加新出現(xiàn)的更先進的 (aggressive) 專用技術(shù)以及未來的電源管理技術(shù)作好準備。■