基于嵌入式DSP系統(tǒng)的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

無(wú)線系統(tǒng)及有線系統(tǒng)設(shè)計(jì)師均必須重視電源效率問(wèn)題，盡管雙方的出發(fā)點(diǎn)不盡相同：對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言，更長(zhǎng)的電池使用壽命、更長(zhǎng)的通話時(shí)間或更長(zhǎng)的工作時(shí)間都是明顯的優(yōu)勢(shì)，降低電源要求意味著使用體積更小的電池或選擇不同的電池技術(shù)，這在一定程度上也緩解了電池發(fā)熱問(wèn)題；對(duì)于有線系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)師可通過(guò)減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風(fēng)扇噪聲來(lái)提高電池效率。人們很少會(huì)提到這樣一個(gè)事實(shí)：提高電源效率還可節(jié)省空間，而節(jié)省的空間可以用來(lái)增加能夠提高系統(tǒng)性能的組件，尤其是設(shè)計(jì)小組希望添加一個(gè)以上處理器時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。

　　設(shè)計(jì)嵌入式DSP處理器或系統(tǒng)功耗要求嚴(yán)格的系統(tǒng)時(shí)，采用DSP專用技術(shù)、操作系統(tǒng)及其支持軟件可以降低功耗。超越傳統(tǒng)技術(shù)的DSP或雙處理器設(shè)計(jì)在節(jié)約能量方面表現(xiàn)出色。

　　功耗基礎(chǔ)知識(shí)

　　互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）電路的總功耗是動(dòng)態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和：

　　當(dāng)門發(fā)生邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)點(diǎn)充電所需的開關(guān)電流以及P通道及N通道同時(shí)暫態(tài)開啟引起直通電流時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)功耗。通過(guò)以下公式可以估算其近似值：

　　其中，Cpd為動(dòng)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?cái)?shù)。另外，電壓（Vcc）決定著穩(wěn)定工作狀態(tài)下的最大開關(guān)頻率（F）。上述關(guān)系中包含兩個(gè)重要概念：動(dòng)態(tài)功耗與開關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與電源電壓呈二次關(guān)系；最大安全開關(guān)頻率取決于電源電壓。為便于本文討論，將特定的頻率及電壓對(duì)稱為“設(shè)定點(diǎn)”。

　　很顯然，降低CPU時(shí)鐘速率將相應(yīng)成比例地降低動(dòng)態(tài)功耗，由于動(dòng)態(tài)功耗與電源電壓成二次關(guān)系，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，通過(guò)降低電壓就可能大大降低功耗。不過(guò)，對(duì)于特定任務(wù)集，降低CPU時(shí)鐘速率也會(huì)成比例地延長(zhǎng)執(zhí)行該任務(wù)集的時(shí)間，因此必須仔細(xì)分析應(yīng)用以確保滿足其實(shí)時(shí)需求。

　　靜態(tài)功耗主要是由于晶體管漏電流造成的。一般說(shuō)來(lái)，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比可以忽略不計(jì)。嵌入式應(yīng)用在不工作期間通常會(huì)“閑置”CPU時(shí)鐘以減少動(dòng)態(tài)功耗，從而顯著降低總體功耗。而在未來(lái)的設(shè)計(jì)中必須特別關(guān)注靜態(tài)功耗問(wèn)題，因?yàn)楦咝阅艿男滦途w管的漏電流將顯著提高。

　　嵌入式系統(tǒng)常用技術(shù)

　　常用電源管理技術(shù)可以分為兩類：通過(guò)早期硬件設(shè)計(jì)決策時(shí)實(shí)現(xiàn)，或在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)早期的決策對(duì)滿足性能及功耗至關(guān)重要，下面列出了設(shè)計(jì)中需要考慮的十大要素，其中包括硬件選擇、設(shè)計(jì)策略及架構(gòu)選擇。大多數(shù)要素都是嵌入式系統(tǒng)的基本要求，其他要素則需要單獨(dú)考慮。盡管下列決策是在設(shè)計(jì)早期制定的，但有些仍需在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行再驗(yàn)證。如下所列：

　　1. 選擇低功耗組件；

　　2. 分割電壓與時(shí)鐘域；

　　3. 支持電壓及頻率調(diào)節(jié)功能；

　　4. 啟用保持電壓門控功能；

　　5. 通過(guò)軟件利用中斷減少輪詢；

　　6. 采用分級(jí)存儲(chǔ)器模型；

　　7. 降低輸出負(fù)載；

　　8. 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉非關(guān)鍵資源供電；

　　9. 盡量減少活動(dòng)PLL數(shù)量；

　　10. 使用時(shí)鐘分頻器快速變換頻率。

　　確定系統(tǒng)架構(gòu)以后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要將注意力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)環(huán)境。以下列出的14項(xiàng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要始終關(guān)注其中大部分內(nèi)容：

　　1. 不需要時(shí)則關(guān)閉門控時(shí)鐘；

　　2. 引導(dǎo)過(guò)程中主動(dòng)關(guān)閉不必要的功耗；

　　3. 僅在需要時(shí)用向子系統(tǒng)供電；

　　4. 激活外設(shè)低功耗模式；

　　5. 充分利用外設(shè)活動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)器；

　　6. 使用自動(dòng)刷新模式；

　　7. 對(duì)應(yīng)用進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)確定必需的最小頻率及電壓；

　　8. 根據(jù)總體活動(dòng)情況調(diào)整CPU頻率及電壓；

　　9. 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)CPU頻率及電壓以匹配預(yù)計(jì)的工作負(fù)載；

　　10. 優(yōu)化代碼的執(zhí)行速度；

　　11. 使用低功耗代碼序列及數(shù)據(jù)模式；

　　12. 使用代碼覆蓋技術(shù)減少對(duì)高速內(nèi)存的需求；

　　13. 更換電源時(shí)進(jìn)入簡(jiǎn)化功能模式；

　　14. 平衡精確度與功耗的關(guān)系。

　　有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須至少在概念上熟悉上述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)（其中部分與DSP電路有關(guān)）。任何降低功耗的設(shè)計(jì)都有可能對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響或?qū)е孪到y(tǒng)不穩(wěn)定。

　　DSP RTOS如何滿足低功耗設(shè)計(jì)要求

　　一部分最重要的并得到普遍認(rèn)可的技術(shù)方法可以融合到RTOS中，相關(guān)的技術(shù)包括：閑置、關(guān)閉活動(dòng)電源、器件驅(qū)動(dòng)程序通知、內(nèi)存管理、電壓/頻率調(diào)節(jié)。然而，由于設(shè)計(jì)目標(biāo)不盡相同，將這些技術(shù)構(gòu)建到RTOS中并不容易。設(shè)計(jì)師需要在這些方法中做出選擇，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)就是高效性、靈活性以及與操作系統(tǒng)本身的松散關(guān)系。

　　TI的DSP/BIOS操作系統(tǒng)的電源管理器（PWRM）非常適于用作現(xiàn)有RTOS的電源管理模塊。盡管以下描述的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是針對(duì)DSP/BIOS，但其概念可很容易地運(yùn)用到其他操作系統(tǒng)，甚至用于無(wú)操作系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。