DSP應用系統(tǒng)的低功耗探討

前言

隨著電池供電系統(tǒng)的應用日趨廣泛，許多應用系統(tǒng)都涉及低功耗設計的問題。數(shù)字信號處理器由于具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，在諸如便攜式儀器儀表等方面得到了廣泛的應用，以dsp為核心的應用系統(tǒng)中也存在著低功耗設計的問題。有多種辦法可以降低功耗，比如常用cmos器件代替nmos器件或雙極器件等，這已經(jīng)在許多場合得到應用。本文就tms320系列定點dsp，介紹一些降低功耗的方法。

dsp應用系統(tǒng)低功耗設計的具體措施

1．dsp器件的選擇

應根據(jù)系統(tǒng)要求來選擇合適的dsp器件。在典型的dsp應用系統(tǒng)中，通常其核心是由一片或多片dsp構成數(shù)據(jù)處理模塊，由于系統(tǒng)運算量大且速度要求高，因此dsp內(nèi)部的部件開關狀態(tài)轉換十分頻繁，這使得dsp器件的功耗在應用系統(tǒng)的功耗中占有相當?shù)谋壤?。從某種意義上來說，選擇什么樣的dsp決定了系統(tǒng)功耗處于什么樣的層次，所以設計人員在進行電路低功耗設計時要熟悉dsp及其相關產(chǎn)品的動態(tài)。dsp器件的功耗與該系統(tǒng)的電源電壓有關，同一系列的產(chǎn)品，其供電電壓可能不同，如tms320c2xx系列中供電電壓就有5v和3.3v兩種，在系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設計首要考慮的情況下，應盡可能地選擇低電壓供電的dsp器件。選擇3.3v低電壓供電的dsp除了能減小dsp本身的功耗以降低系統(tǒng)的總功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這對實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗有著重要的作用。值得注意的是：dsp生產(chǎn)廠家也比較注重系統(tǒng)功耗的問題，德州儀器公司（ti）為實現(xiàn)低功耗應用系統(tǒng)而設計了一批新型的dsp器件，以其中的tms320c55x為例， c55x核可以在0.9v和0.05mw/mips環(huán)境下運行，傳輸速率可達800mips，其功耗相當于ti上一代芯片c54x功耗的15%左右，該芯片非常適合于電池供電系統(tǒng)的應用。此外，ti公司還充分考慮 dsp電源供電設計的問題，為支持dsp設計tps767d3xx將兩個1-a線性穩(wěn)壓器和兩個上電復位開關封裝在一起，它不僅降低組件數(shù)量和電路板大小，使系統(tǒng)的成本降低，在系統(tǒng)低功耗設計方面也有重要的作用：tps767d3xx在全部1-a輸出范圍內(nèi)提供極快的瞬態(tài)響應、低壓差和幾乎恒定的低靜態(tài)電流（典型值為85μa）。壓差在1a時的典型值為350mw。在設計時考慮這些問題往往能達到事半功倍的效果。

2．使dsp適速運行

tms320系列的dsp一般采用cmos工藝，cmos電路的靜態(tài)功耗極小，而cmos電路的動態(tài)功耗的大小與該電路改變邏輯狀態(tài)的頻率和速度密切相關。tms320系列應用系統(tǒng)的功耗與工作頻率，即系統(tǒng)時鐘（clkout1）成正比。在不需要dsp的全部運算能力時，可以適當?shù)慕档蛅ms320的系統(tǒng)時鐘頻率使dsp適速運行以降低系統(tǒng)功耗。當時鐘頻率增加時，電流也相應地增加，執(zhí)行一段用戶程序代碼的時間會縮短。例如，以1.2ma/mhz運行一段500個時鐘周期代碼，當clkout1為10mhz時，dsp執(zhí)行該段代碼用50μs，所需電流為12ma；當clkout1增加到20mhz時，所需電流增加到24ma，執(zhí)行時間縮短為25μs。tms320系列執(zhí)行一段用戶程序所耗能量與器件執(zhí)行快慢無關，因為該能量僅僅取決于dsp器件內(nèi)部邏輯狀態(tài)轉換的數(shù)目。從這一點來看，似乎dsp的功耗并未降低。那為什么不讓dsp全速運行呢？可以用圖1來解釋這一問題：在圖1（a）中，dsp以全速運行代碼后進入降功耗模式（使用idle指令），而在圖1（b）中，dsp在整個運行時間段上適速運行。如前文所指出的：dsp全速運行和適速運行該段代碼所耗電能是相同的，但是，在（a）中，dsp在空閑狀態(tài)還要消耗能量，而（b）中將節(jié)省這部分的能量。因此，在實際應用系統(tǒng)中并不需要dsp的最高mips運算能力時，適當降低系統(tǒng)的時鐘頻率能有效地降低系統(tǒng)功耗。

3．在軟件設計中降低功耗

cpu內(nèi)部執(zhí)行不同的指令時所消耗的電流是不同的，在軟件編程時如果能充分考慮到這一因素可以降低系統(tǒng)功耗。圖2和表1給出了tms320c5x的一些指令的功耗特性。

tms320c5x有幾種降功耗模式，這些降功耗模式中最常用的是使用idle和idle2指令。idle指令將cpu內(nèi)部操作掛起（suspend activity），但是仍保留內(nèi)部各部件邏輯的時鐘，允許串口等片內(nèi)外設繼續(xù)工作。在20mhz的系統(tǒng)時鐘時，執(zhí)行idle指令所需電流的典型值為10ma。在相同的系統(tǒng)時鐘下，執(zhí)行idle2指令只需要3ma的電流；若關閉內(nèi)部部件的輸入時鐘時執(zhí)行idle2指令，這時電流值不超過5μa ，cpu所消耗的電能將大大降低。

從表1中可看到：對諸如nop（空操作）這類簡單的指令而言，使用rtp（重復指令）將節(jié)省約12ma的電流；但是對macd（相乘、累加及數(shù)據(jù)塊移動指令）這類cpu操作較復雜而且所需電流較大的指令來說，使用重復指令反而會增加大約14ma的電流，達到90ma。注意到這個電流值是在數(shù)據(jù)完全并行處理時得到的，在這里數(shù)據(jù)并行是指macd指令的操作數(shù)存放在不同的數(shù)據(jù)存儲塊，對它們進行操作時，兩個數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)將被同時選中。因此，為減低系統(tǒng)功耗，在軟件設計時應盡可能地將所要操作的數(shù)據(jù)存儲在同一個數(shù)據(jù)塊中，比如tms320c209可將macd的操作數(shù)同存儲在其片內(nèi)4k字的saram中。

4．存儲器類型對功耗的影響

前文已經(jīng)提到，在dsp器件按某一算法對數(shù)據(jù)進行處理時，dsp片內(nèi)的cpu將消耗大部分的能量。但是，數(shù)據(jù)處理所在的存儲環(huán)境也就是存儲器的類型對系統(tǒng)功耗有著較大的影響。以tms320c2xx為例，在片的存儲器有單訪問ram（saram），雙訪問ram（daram）和rom三種（tms320c206還有閃速存儲器）。dsp應用系統(tǒng)可用片內(nèi)的saram、daram、rom或片外擴展的rom來存儲用戶指令代碼，由于daram僅有256個字的容量，因此在一般情況下它被設置為數(shù)據(jù)ram。參考文獻[3]表明：（1）在相同的條件下執(zhí)行一段測試代碼，程序在片內(nèi)的rom運行要比在saram中運行節(jié)省10%的能量。這是因為：saram不能存儲用戶代碼（斷電后程序丟失），它只能將程序從rom中加載后運行。在將代碼用blpd（從程序存儲器到數(shù)據(jù)存儲器的塊移動）、tblr（表讀）和rpt（重復下一條指令）等指令從程序區(qū)傳送到數(shù)據(jù)區(qū)的過程中要消耗部分能量，而在片內(nèi)的rom中運行則可節(jié)省這部分能量。（2）執(zhí)行存放在片內(nèi)存儲器的用戶代碼所耗能量要比執(zhí)行存放在片外的存儲器低。其原因是程序在片內(nèi)rom中運行可省去驅(qū)動外部程序存儲器接口電路所需要的電流。

5．正確處理外圍電路

外圍電路包括輸入和輸出兩部分。從輸出部分來看，外部電路的驅(qū)動要消耗一部分能量，除在dsp系統(tǒng)中使用的邏輯電路采用cmos器件外，應盡可能地選用低功耗的外圍器件，例如系統(tǒng)的顯示部分應選用lcd（液晶顯示器）等。當外部接口中邏輯電路所用的門電路較多時，應使用單片的pal或asic來完成。從輸入部分來看，dsp芯片中未使用的輸入引腳應接地或接電源電壓，若將這些引腳懸空，在引腳上很容易積累電荷，產(chǎn)生較大的感應電動勢，使輸入引腳電位處于0與1間的過渡區(qū)域。這時反相器上、下兩個場效應管都會導通，使系統(tǒng)功耗大大增加。

結語

影響dsp應用系統(tǒng)功耗的因素除前面所提及的以外，還有很多因素：比如dsp應用系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度等。具體到任何一個實際的應用系統(tǒng)，在達到設計指標的前提下應對硬件、軟件在多方面進行優(yōu)化，盡可能地降低系統(tǒng)功耗。