滿(mǎn)足多媒體處理器需求的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

　　有源電源管理

　　片上電源管理技術(shù)分為兩大類(lèi)，管理工作系統(tǒng)功耗與管理待機(jī)功耗。

　　有源電源管理分為三個(gè)領(lǐng)域：動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS)、自適應(yīng)電壓調(diào)整 (AVS) 與動(dòng)態(tài)電源切換 (DPS)。靜態(tài)功耗管理需要確保閑置的系統(tǒng)在需要更高處理能力之前處于省電狀態(tài)，也就是采用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM) 技術(shù)，這種管理通常依賴(lài)于從待機(jī)到斷電的幾種低功耗模式。

　　我們先來(lái)看看主動(dòng)模式。利用 DVFS 技術(shù)，可根據(jù)應(yīng)用的性能需求通過(guò)軟件來(lái)降低時(shí)鐘速度和電壓。例如，我們不妨設(shè)想一款集成了高級(jí) RISC 微處理器 (ARM) 與數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的應(yīng)用處理器。盡管 ARM 組件的運(yùn)行速度可高達(dá) 600 MHz，但系統(tǒng)并不總是需要如此高的計(jì)算能力。通常，我們可通過(guò)軟件來(lái)選擇預(yù)定義的處理器工作性能點(diǎn) (OPP)，這時(shí)的電壓可確保處理器工作在可滿(mǎn)足系統(tǒng)處理性能要求的最低頻率上。為了適應(yīng)不同應(yīng)用，進(jìn)一步提高優(yōu)化功率的靈活性，我們還可為處理器中的互連與外設(shè)預(yù)定義另外一組器件內(nèi)核 OPP。

　　軟件根據(jù) OPP 需向外部穩(wěn)壓器發(fā)送控制信號(hào)才能設(shè)置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個(gè)供電電壓 VDD1(DSP 與 ARM 處理器的供電電壓)與 VDD2(子系統(tǒng)與外設(shè)互連的供電電壓)，這兩個(gè)電壓軌提供了大部分芯片功率(通常在 75% 到 80% 之間)。在執(zhí)行 MP3 解碼時(shí)，可將 DSP 處理器轉(zhuǎn)入低操作性能點(diǎn)，從而大幅減少功耗供處理其他任務(wù)之用，這時(shí)的 ARM 運(yùn)行頻率高達(dá) 125 MHz。為了在最佳功耗情況下實(shí)現(xiàn)必需的功能性，我們可將 VDD1 降至 0.95 伏特，而不使用最高 1.35 伏特的電壓，以確保 600 MHz 的工作頻率。

　　自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 作為第二種有源電源管理技術(shù)，是以芯片制造過(guò)程中以及器件運(yùn)行生命周期中產(chǎn)生的差異為基礎(chǔ)的。該技術(shù)與所有處理器都采用相同預(yù)編程 OPP 的 DVFS 不同。可以想見(jiàn)，就大多數(shù)已經(jīng)成熟的制造工藝而言，芯片的性能在既定頻率要求下要遵循一定的分布情況。部分器件(所謂的“熱”器件)相對(duì)于其他器件(所謂的“冷”器件)而言，能以較低的電壓實(shí)現(xiàn)給定的頻率，這就是 AVS 發(fā)揮作用的原理——處理器感應(yīng)到自身的性能級(jí)別，并相應(yīng)調(diào)整供電電壓。專(zhuān)用的片上 AVS 硬件可實(shí)施反饋環(huán)路，無(wú)需處理器干預(yù)即可動(dòng)態(tài)優(yōu)化電壓電平，以滿(mǎn)足進(jìn)程、溫度以及硅芯片衰減等造成的差異要求(圖 1)。

　　圖 1 給定處理器的典型性能分布。此處的“冷”器件工作在125 MHz的頻率時(shí)需要0.94伏特，而“熱”器件在該頻率下只需 0.83 伏特。自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 技術(shù)采用反饋環(huán)路相應(yīng)調(diào)節(jié)供電電壓，確保各器件運(yùn)行在特定處理任務(wù)所需的頻率上

　　軟件可在工作中為每個(gè) OPP 設(shè)置 AVS 硬件，而控制算法則通過(guò) I2C 總線(xiàn)向外部穩(wěn)壓器發(fā)送指令，以逐步降低適當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出，直至處理器剛好超過(guò)目標(biāo)頻率的要求為止。

　　例如，開(kāi)發(fā)人員可首先設(shè)計(jì)一個(gè)能滿(mǎn)足所有情況的電壓，在 125 MHz 頻率下為 0.95 伏特(在圖 1 中的 V1 上方)。但是，如果系統(tǒng)中插入了采用 AVS 技術(shù)的“熱”器件，那么片上反饋機(jī)制就會(huì)自動(dòng)將 ARM 的電壓降至 0.85 伏特或更低(圖 1 中的 V2 上方)。

　　前兩種有源電源管理技術(shù)可以最小的工作電壓讓器件的某部分工作在理想的速度上。相比之下，第三種方法 — 動(dòng)態(tài)功率切換 (DPS) 先確定器件何時(shí)可完成當(dāng)前的計(jì)算任務(wù)，如果暫時(shí)不需要，則讓器件進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)(圖 2)。例如，處理器在等待 DMA 傳輸完成過(guò)程中會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。處理器在喚醒后幾微秒內(nèi)就能返回正常工作狀態(tài)。

　　圖 2 動(dòng)態(tài)電源切換 (DPS) 在給定器件的某部分完成任務(wù)后使其進(jìn)入低功耗狀態(tài)

　　無(wú)源電源管理

　　雖然 DPS 可讓多媒體片上系統(tǒng) (SoC) 的一部分進(jìn)入低功耗狀態(tài)，不過(guò)在有些情況下，我們可讓整個(gè)器件都進(jìn)入低功耗模式 — 在沒(méi)有應(yīng)用運(yùn)行時(shí)自動(dòng)或通過(guò)用戶(hù)請(qǐng)求進(jìn)入低功耗模式。要實(shí)現(xiàn)這一目的，我們可應(yīng)用靜態(tài)漏電管理 (SLM) 技術(shù)，啟動(dòng)待機(jī)或器件關(guān)閉模式。這兩種模式一個(gè)關(guān)鍵的不同之處在于：在待機(jī)模式下，器件仍然占用著內(nèi)部存儲(chǔ)器和邏輯，而在器件關(guān)閉模式下，所有系統(tǒng)狀態(tài)都保存于外部存儲(chǔ)器中。利用 SLM 技術(shù)，喚醒時(shí)間大大快于冷啟動(dòng)速度，因?yàn)槌绦蛞呀?jīng)載入到了外部存儲(chǔ)器，用戶(hù)無(wú)需等待操作系統(tǒng) (OS) 完全重新啟動(dòng)。在采用 SLM 技術(shù)情況下，我們以媒體播放器為例，如果打開(kāi)十秒鐘后還沒(méi)有得到處理指令或用戶(hù)輸入，就會(huì)關(guān)閉顯示屏進(jìn)入待機(jī)或器件關(guān)閉模式。

　　例如，TI 采用 ARM Cortex-A8 內(nèi)核的 OMAP35x 單芯片處理器器件就支持器件關(guān)閉模式，即器件可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。除了喚醒域之外，所有電源域均關(guān)閉，耗電的只有喚醒域與 I/O 漏電流。系統(tǒng)時(shí)鐘關(guān)閉，在此情況下，喚醒域的時(shí)鐘被單獨(dú)設(shè)為 32 kHz。此外，OMAP35x 還可自動(dòng)向外部穩(wěn)壓器發(fā)送信號(hào)，穩(wěn)壓器能夠在深度睡眠狀態(tài)下關(guān)閉。處理器內(nèi)部不保存存儲(chǔ)器或邏輯。在進(jìn)器件關(guān)閉電模式前，系統(tǒng)狀態(tài)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。經(jīng)后喚醒復(fù)位后，微處理器單元 (MPU) 會(huì)啟動(dòng)用戶(hù)定義的功能，SDRAM 控制器配置從高速暫存存儲(chǔ)器 (SPM) 中恢復(fù)。

　　可滿(mǎn)足各種用途的技術(shù)

　　通過(guò)結(jié)合采用上述電源管理技術(shù)，我們可實(shí)現(xiàn)多種操作條件下的最佳功耗。如果系統(tǒng)忙于處理播放高分辨率視頻等便攜式播放器任務(wù)，那么可在 VDD1 上設(shè)置過(guò)壓 OPP。如果是功耗適中的 web 瀏覽，則可為 VDD1 與 VDD2 設(shè)置額定的 OPP。若是功耗較低的音樂(lè)欣賞，則可為 VDD1 與 VDD2 設(shè)置最低的 OPP。在上述所有情況下，我們都可啟動(dòng) AVS 來(lái)平衡“冷”“熱”器件的功耗差別。最后，如果用戶(hù)打開(kāi)媒體播放器但數(shù)小時(shí)或數(shù)天都不使用，其會(huì)通過(guò) SLM 技術(shù)自動(dòng)使器件進(jìn)入關(guān)閉模式。

　　為更好的理解采用上述技術(shù)所帶來(lái)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，需要將下列案例納入考慮范圍。在以下案例中，除有特別說(shuō)明，否則我們一概不采用 TI 的 AVS/SmartReflex 技術(shù)。在這些描述中，IVA 指影像、視頻以及音頻加速器子系統(tǒng)。

　　·案例一：器件關(guān)閉模式 — 0.590 mW。這是 TI OMAP 可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。在該模式下，整個(gè)器件除了喚醒域之外全部關(guān)閉，而喚醒域的工作頻率還不到 32 kHz。關(guān)閉不使用的穩(wěn)壓器(VDD1 = VDD2 = 0)，自動(dòng)刷新 SDRAM，喚醒時(shí)特殊啟動(dòng)序列恢復(fù) SDRAM 控制器和系統(tǒng)狀態(tài)。

　　·案例二：待機(jī)模式 — 7 mW。在該器件狀態(tài)下，僅喚醒域工作，所有其他非喚醒電源域都處于低功耗保存狀態(tài)(VDD1 = VDD2 = 0.9 伏特)。所有邏輯和存儲(chǔ)器將保留。AVS 關(guān)閉。

　　·案例三：音頻解碼 — 22 mW(不含 DPLL 與 IO 功耗)。雖然 ARM 工作在 125 MHz 頻率上，但僅設(shè)置 DMA 從多媒體卡讀取輸入數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。IVA 解碼 MP3 幀(44.1 kHz、128k bps 立體聲)，并將解碼數(shù)據(jù)發(fā)送到 SDRAM 的緩沖中。片上多通道緩沖串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)到音頻編解碼器以用于回放。就系統(tǒng)配置而言，DSP 的工作頻率為 90 MHz，在無(wú)需處理周期時(shí)進(jìn)入低功耗模式以降低功耗。這時(shí)，VDD1 為 0.9伏特，VDD2 為 1伏特。

　　·案例四：音頻/視頻編碼 — 540 mW(不含 DPLL 與 IO功耗)。在該案例中，我們捕獲并對(duì)音頻進(jìn)行編碼(AACe+、48 kHz、32k bps 立體聲)，捕獲并編碼視頻(H.264 VGA 分辨率，每秒 20 幀，2.4 Mbsp)，音頻和視頻都保存，同時(shí)顯示視頻。在該配置下，ARM 工作頻率為 500 MHz，DSP 運(yùn)行頻率為 360 MHz，VDD1 為 1.2伏特，VDD2 為 1.15伏特。此外，片上攝像子系統(tǒng)還可從外部傳感器捕獲視頻輸入，多通道緩沖串行端口捕獲音頻 PCM 輸入，IVA 執(zhí)行音頻和視頻編碼，編碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多媒體卡中，而顯示子系統(tǒng)則使視頻循環(huán)，并將視頻發(fā)送至 LCD 與電視輸出接口。

　　實(shí)施電源管理

　　為了實(shí)現(xiàn)充分的電源管理靈活性，DSP 處理器采用片上電源復(fù)位與時(shí)鐘管理器 (PRCM)。OMAP3530 處理器的功能模塊分為 18 個(gè)電源域，每個(gè)電源域都擁有自己的開(kāi)關(guān)。PRCM 可開(kāi)關(guān)所有電源域，但許多電源域也可由用戶(hù)控制。此外，每個(gè)電源域都能根據(jù)邏輯與存儲(chǔ)器是否加電、以及時(shí)鐘是否處于工作狀態(tài)而進(jìn)入四種狀態(tài)之一：工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)、保持或關(guān)閉。

　　就 ARM 與 DSP 器件而言，上述狀態(tài)通常需要輔助穩(wěn)壓器。市場(chǎng)上的許多穩(wěn)壓器都可滿(mǎn)足上述要求，當(dāng)然還需滿(mǎn)足處理器的電壓、電流、功率轉(zhuǎn)換速率規(guī)范以及功率上升下降排序要求等。為了在 ARM 與 DSP 處理器上執(zhí)行 DVFS 與 AVS操作，相關(guān)穩(wěn)壓器必須支持 I2C 可編程性。在器件關(guān)閉模式下，電路系統(tǒng)必須能通過(guò)自動(dòng)發(fā)出的 I2C 命令或?qū)ｉT(mén)的 GPIO 信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉 VDD1 與 VDD2 穩(wěn)壓器。如果采用 GPIO 信號(hào)，由于不存在 I2C 延遲，那么喚醒時(shí)間會(huì)更快些。為了減輕設(shè)計(jì)工程師的負(fù)擔(dān)，上述各功能的所有特性最好集成在單個(gè)器件中，從而大幅減少部件數(shù)(圖 3)。

　　圖 3 高級(jí)穩(wěn)壓器芯片集成了多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與低壓降線(xiàn)性穩(wěn)壓器，因而可滿(mǎn)足 OMAP35x 處理器的電壓域要求