BLACKfin DSP體系結(jié)構(gòu)：能實(shí)現(xiàn)帶電源管理功能的多樣性應(yīng)用

引言

　　嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用一般可分為兩類：一類主要是數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能的應(yīng)用，其應(yīng)用實(shí)例是V.90語(yǔ)音頻段調(diào)制解調(diào)器的數(shù)據(jù)泵器件應(yīng)用中嵌入的增強(qiáng)型DSP；另一類則是控制方面的應(yīng)用，其應(yīng)用實(shí)例是手持式計(jì)算機(jī)或數(shù)字手表。
人們對(duì)這兩類不同的應(yīng)用系統(tǒng)通常采用的設(shè)計(jì)方法是，根據(jù)應(yīng)用情況選用DSP處理器或微控制器(MCU)。DSP 處理器可為數(shù)值計(jì)算提供更強(qiáng)大的運(yùn)算能力；而MCU通常易于編程并且能提供多種片內(nèi)外圍器件，以便使每一種MCU更加適合其相應(yīng)的應(yīng)用需求。另外，這些MCU各自的指令集都與其相應(yīng)的應(yīng)用匹配。

　　盡管基于DSP與MCU這兩類器件的系統(tǒng)都有各自的用途，然而很多的應(yīng)用系統(tǒng)我們無(wú)法將其簡(jiǎn)單地歸并其中的任何一類。實(shí)際上，從某種程度上說(shuō)，現(xiàn)在很多新興的嵌入式應(yīng)用，尤其是那些大型的復(fù)雜系統(tǒng)，它們既有DSP又有MCU。蜂窩電話就是這方面的一個(gè)例子。蜂窩電話的大工作量通常需要一個(gè)大容量DSP器件來(lái)完成基帶信道和語(yǔ)音編碼器的處理工作。同時(shí)，蜂窩電話還應(yīng)具備面向控制應(yīng)用的一些特性，因?yàn)樗獙?duì)用戶接口的很多方面以及通信協(xié)議堆棧進(jìn)行管理。將來(lái)，對(duì)這種復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)管理的工作量可能有增加的趨勢(shì)，可能不會(huì)再明確地區(qū)分DSP應(yīng)用還是MCU應(yīng)用。

　　一種具有在單一平臺(tái)上同時(shí)支持上述兩種工作任務(wù)的設(shè)計(jì)能力的新產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)面世，源于這種體系結(jié)構(gòu)的新產(chǎn)品是ADI推出的Blackfintm DSP系列，這種新產(chǎn)品的特性之一是具有動(dòng)態(tài)電源管理功能。本文將介紹該產(chǎn)品的性能、特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)等方面的有關(guān)內(nèi)容。

　　該體系的內(nèi)核是基于一個(gè)雙乘法累加器(MAC)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)。相對(duì)于單MAC內(nèi)核而言，這種雙MAC內(nèi)核可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成兩個(gè)算術(shù)運(yùn)算操作，因此它能提高DSP工作的總體性能。哈佛結(jié)構(gòu)可支持?jǐn)?shù)據(jù)的加載、存儲(chǔ)操作，同時(shí)支持取指令代碼操作。這種一流的雙MAC DSP引擎的優(yōu)勢(shì)是：具有一個(gè)巧妙、正交的類似精簡(jiǎn)指令集(RISC)微處理器的指令集，并且將單指令多數(shù)據(jù) (SIMD)和多媒體操作引入單指令集結(jié)構(gòu)。除了該器件兼具DSP和MCU的功能外，它的內(nèi)核在設(shè)計(jì)上增強(qiáng)了視頻性能和多媒體運(yùn)算功能。這種體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了新興的3G蜂窩技術(shù)應(yīng)用的硬件和軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)還具有低功耗的性能。

　　該體系結(jié)構(gòu)在片內(nèi)集成了一套豐富的、業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)外圍電路和存儲(chǔ)器。它將為下一代應(yīng)用提供這樣一種可選擇的平臺(tái)，即在一塊集成的DSP芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了RISC精簡(jiǎn)指令那樣的易編程性、多媒體功能、電源管理功能和先進(jìn)的信號(hào)處理功能等。

便攜式低功耗體系結(jié)構(gòu)

　　與其它的DSP產(chǎn)品相比，此項(xiàng)技術(shù)提供了世界領(lǐng)先的低功耗和高性能水平。本設(shè)計(jì)采用了低功耗和低電壓設(shè)計(jì)方法，并且具有動(dòng)態(tài)功耗管理的特性。它可以改變工作電壓和工作頻率，大大減少了總體系統(tǒng)的功耗。與僅改變工作頻率相比，同時(shí)改變工作電壓和頻率可降低3倍的功耗，因此能延長(zhǎng)便攜式設(shè)備中電池的工作壽命。

低功耗工作方式

　　這種新的DSP技術(shù)有四種低功耗工作方式。當(dāng)該處理器適應(yīng)降低性能的工作需求時(shí)，可大大降低功耗。另外，該電源管理控制器還對(duì)附著的電源穩(wěn)壓器提供控制功能，從而可動(dòng)態(tài)地改變處理器內(nèi)核的工作電壓，顯著地降低功耗。它還對(duì)每一個(gè)新DSP的外圍電路件提供定時(shí)時(shí)鐘的關(guān)斷控制，以進(jìn)一步降低功耗。表1列出了每一種工作方式的電源設(shè)置。
全速工作方式—提供最高性能

　　在全速工作方式下，鎖相環(huán)(PLL)被啟動(dòng)，并且不被旁路，它為系統(tǒng)提供最大的工作頻率。這是正常的工作狀態(tài)，在此狀態(tài)下可獲得最高的工作性能；此時(shí)，處理器內(nèi)核及所有被啟動(dòng)的外圍電路均以全速運(yùn)行。

活動(dòng)工作方式—低度節(jié)省功耗

　　在活動(dòng)工作方式下，PLL被啟動(dòng)，但是被旁路，輸入時(shí)鐘直接用來(lái)產(chǎn)生處理器內(nèi)核及外圍電路所需要的時(shí)鐘。由于輸入時(shí)鐘未經(jīng)過(guò)PLL，所以大大節(jié)省了功耗。在切換回到全速方式之前，根據(jù)選擇增強(qiáng)性能方式或降低功耗方式的要求，利用軟件向PLL控制寄存器寫入適當(dāng)?shù)目刂谱謩?dòng)態(tài)地改變PLL的倍頻比率。

松弛工作方式—中度節(jié)省功耗

　　在松弛工作方式下，PLL不但被旁路，還被禁止，因而可降低功耗。像活動(dòng)工作方式一樣，直接用輸入時(shí)鐘來(lái)產(chǎn)生處理器內(nèi)核和外圍電路所需要的時(shí)鐘。同理，由于處理器僅以輸入時(shí)鐘頻率工作，所以可明顯地節(jié)省功耗；又由于PLL被禁止，還可以進(jìn)一步地節(jié)省功耗。

休眠工作方式—高度節(jié)省功耗

　　休眠方式停止對(duì)處理器內(nèi)核提供時(shí)鐘，因而降低了功耗。然而，在這種方式下系統(tǒng)時(shí)鐘仍繼續(xù)工作。任何中斷，尤其是通過(guò)外部事件或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘(RTC)的動(dòng)作產(chǎn)生的中斷都會(huì)喚醒休眠方式。在該方式下，該內(nèi)核處理器實(shí)際上已停止工作，而系統(tǒng)所有的外圍電路仍然繼續(xù)工作。如果處理器內(nèi)核沒(méi)有時(shí)鐘輸入，顯然會(huì)大大節(jié)省功耗。

深休眠工作方式—最大節(jié)省功耗

　　深休眠方式停止對(duì)處理器內(nèi)核和所有的同步系統(tǒng)提供時(shí)鐘，因而最大限度地節(jié)省了功耗。然而，在這種方式下異步系統(tǒng)，例如RTC仍繼續(xù)工作，但對(duì)處理器資源的訪問(wèn)受到了限制。在這種待機(jī)方式下，只能通過(guò)復(fù)位中斷方式或由RTC產(chǎn)生的中斷方式才能退出。

動(dòng)態(tài)電源管理

　　該技術(shù)產(chǎn)品支持如下5種不同的電源區(qū)域：內(nèi)部邏輯電路(PLL 和 RTC除外)、PLL、RTC、PCI I/O口、其它 I/O口。
由于采用多種電源區(qū)域，所以它能在符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的同時(shí)具有最大的應(yīng)用靈活性。它將DSP技術(shù)中的內(nèi)部邏輯電路分隔成各自的電源區(qū)域，使PLL、RTC、PCI接口以及其它I/O口互相隔離開(kāi)來(lái)，從而在不影響PLL、RTC、PCI接口以及其它I/O口設(shè)備的情況下利用其動(dòng)態(tài)電源管理功能。

　　一個(gè)處理器的功耗可以近似地看作是其時(shí)鐘頻率和工作電壓平方的函數(shù)。下面給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的功耗數(shù)學(xué)表達(dá)式：
P＝C×F×V2

　　其中，P表示功耗，F(xiàn)表示時(shí)鐘頻率，V表示工作電壓，C表示比例常數(shù)。

　　從上式中可以看出，如果將時(shí)鐘頻率降低25%，可使功耗降低25%；如果將工作電壓降低25%，可使功耗降低40%以上。更進(jìn)一步地講，如果時(shí)鐘頻率和工作電壓同時(shí)降低，那么節(jié)省的功耗值則是二者的迭加，因此其降低功耗的幅度是相當(dāng)驚人的。

　　這種DSP技術(shù)的動(dòng)態(tài)電源管理特性可使用戶對(duì)該處理器的輸入電壓(VDDINT)和時(shí)鐘頻率(fCLK)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。表2列出了當(dāng)處理器的輸入電壓和時(shí)鐘頻率都低于其標(biāo)稱值時(shí)對(duì)應(yīng)的節(jié)省功耗的估算值。

　　在1/3峰值頻率處，在滿足速度要求的條件下，當(dāng)內(nèi)核所需要的電壓降至最低時(shí)，可以將電池壽命延長(zhǎng)10倍，如圖1所示。

外圍電路的電源控制

　　這種DSP技術(shù)通過(guò)對(duì)每一個(gè)外圍電路的輸入時(shí)鐘脈沖的時(shí)序進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理來(lái)提供附加的電源控制能力。這樣可使用戶根據(jù)需要通過(guò)打開(kāi)或關(guān)閉輸入到每一個(gè)外圍器件的時(shí)鐘脈沖，達(dá)到用軟件細(xì)微地調(diào)節(jié)功耗的目的。例如，如果在某時(shí)某地不需要某個(gè)外圍電路工作，可通過(guò)軟件關(guān)閉其輸入時(shí)鐘；待其需要時(shí)可再打開(kāi)輸入時(shí)鐘。該項(xiàng)DSP技術(shù)可對(duì)下列外圍電路的輸入時(shí)鐘進(jìn)行控制：

PCI 接口
串行口0 和串行口1
SPI接口0 和SPI接口1
定時(shí)器 0，定時(shí)器1和定時(shí)器2
USB設(shè)備
通用 I/O口
通用異步收發(fā)器0和通用異步收發(fā)器1

結(jié)語(yǔ)

　　Blackfintm DSP系列產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)電源管理特性允許對(duì)功耗的設(shè)備場(chǎng)景敏感控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師可以動(dòng)態(tài)地改變DSP內(nèi)核的工作頻率和電壓。由于具備動(dòng)態(tài)電源管理功能，可使每mW功耗都能提供最大的計(jì)算處理能力，這就大大降低了下一代便攜式設(shè)備的功耗并延長(zhǎng)了電池壽命。這種高度集成的、高性能的產(chǎn)品是面向視頻互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用，例如視頻電話、游戲機(jī)、網(wǎng)絡(luò)終端和智能手持設(shè)備等的理想解決方案。