嵌入式系統(tǒng)的能耗動(dòng)態(tài)管理方案

　　一直以來，嵌入式處理器的低功耗是通過使用一些低功耗的空閑或睡眠模式來實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在，嵌入式處理器要承擔(dān)更復(fù)雜的工作，需要更高的性能。新的應(yīng)用程序（如音頻和視頻播放以及游戲等）一般運(yùn)行時(shí)間都相當(dāng)長(zhǎng)，“運(yùn)行時(shí)間”與“空閑時(shí)間”之比也上升得很快。傳統(tǒng)的電源管理技術(shù)在空閑時(shí)間中是非常有效的，但要在運(yùn)行中節(jié)省電池能量就無能為力了。

　　此外，電源管理芯片制造商僅僅把注意力集中在供電的管理方面。情況一般是這樣的，嵌入式處理器供應(yīng)商給出輸入／輸出功率要求，功率半導(dǎo)體供應(yīng)商則爭(zhēng)相開發(fā)出盡可能高效的滿足要求的 IC。然而，現(xiàn)在象開關(guān)穩(wěn)壓器這樣的電源管理 IC 效率已經(jīng)達(dá)到了 95% 的高峰。這迫使今天的電源 IC 供應(yīng)商不僅要在價(jià)格上競(jìng)爭(zhēng)，還要靠效率的每一點(diǎn)細(xì)微增長(zhǎng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前手機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)顯示，這些傳統(tǒng)的方法已無法滿足業(yè)界對(duì)提升效率的需求。

　　盡管電池技術(shù)一直有穩(wěn)定改進(jìn)，如更長(zhǎng)的壽命及更小的體積，但這種發(fā)展仍然無法趕上下一代設(shè)計(jì)快速增長(zhǎng)的功率需求。要在新產(chǎn)品中將電池壽命延長(zhǎng)到最終用戶可以接受的水平，普通的電源管理方法已經(jīng)不能勝任了。

　　工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也加劇了電源管理的復(fù)雜性。過去，CMOS 晶體管在靜態(tài)時(shí)消耗功率很少，幾乎可以忽略不計(jì)。然而，隨著速度和密度的增加，工藝尺寸在不斷縮小，靜態(tài)功耗也在增長(zhǎng)。根據(jù)估計(jì)，對(duì)于用 0.13 微米高速工藝實(shí)現(xiàn)的芯片，其靜態(tài)功耗要占總功耗的 15-20%。而且，隨著工藝技術(shù)進(jìn)入 100 納米以下，靜態(tài)功耗將呈現(xiàn)指數(shù)式的增長(zhǎng)，并將在處理器總功耗中占據(jù)主要部分。

　　有一種方法可以協(xié)調(diào)高性能與低功耗之間的矛盾，這就是讓處理器根據(jù)當(dāng)前的工作負(fù)載，運(yùn)行在不同的性能等級(jí)上。舉例來說，一個(gè) MPEG 視頻播放器需要的處理性能比 MP3 音頻播放器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，當(dāng)播放 MP3 時(shí)，處理器可以運(yùn)行在較低頻率上，而仍然能保證播放的高質(zhì)量。當(dāng)時(shí)鐘頻率降低時(shí)，可以同時(shí)降低處理器的供電電壓，以達(dá)到節(jié)能的目的。

　　動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù) （DVS） 就利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即 CMOS 工藝處理器的峰值頻率與供電電壓成正比。圖 1 顯示了頻率與電壓的關(guān)系，其中的測(cè)試使用了一個(gè) ARM926EJ-S 處理器內(nèi)核（0.18 微米工藝）?？梢钥吹睫D(zhuǎn)折點(diǎn)在大約 90 MHz，這是調(diào)整技術(shù)適用電壓范圍的一個(gè)限額。

　　以下是一個(gè) CMOS 電路的近似功率方程：

　　P = CVDD 2fc + VDDIQ其中：

　　· P 為供電電壓 VDD 消耗的功率。

　　· C（VDD）2fc 是源于切換的動(dòng)態(tài)功耗部分（C 是電容，fc 為頻率）。

　　· VDDIQ 是源于泄漏的靜態(tài)功耗部分（IQ 為泄漏電流）顯然，對(duì)一個(gè)給定負(fù)載，動(dòng)態(tài)功率的量值與供電電壓的平方成正比。

　　減少供電電壓并同時(shí)降低處理器的時(shí)鐘速度，功耗將會(huì)呈二次方的速度下降，代價(jià)是增加了運(yùn)行時(shí)間。由于每次電池充電后其中儲(chǔ)存的能量是有限的，所以能量管理技術(shù)是唯一一種可以擴(kuò)展電池使用壽命的方法。圖 2 顯示的是當(dāng)頻率與電壓都從最高值下調(diào)時(shí)，等效的節(jié)能情況。因?yàn)殡妷旱南陆挡豢赡艹^某一個(gè)最低限，所以即使把頻率降低到曲度以下也不能產(chǎn)生更多的節(jié)能效果。因此，能量管理技術(shù)也存在一個(gè)適用頻率范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)的電壓升降才是有效的（本例中約為 90-170 MHz）。

　　圖2 計(jì)算出ARM926EJ-S處理器節(jié)能與頻率關(guān)系圖

　　電壓控制和頻率控制的要求圖 3 比較了兩種電源管理方法的效果，一種使用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整法（DVS），另一種是普通的門控電源管理方法。DVS 方法能顯著降低整體功耗。

　　一般來說，處理器運(yùn)行得都太快了。例如，從 QoS 觀點(diǎn)來看，如果軟件只需要在一秒鐘內(nèi)顯示完 30 幀視頻圖像，則處理器在半秒內(nèi)就完成所有解碼是沒有意義的。提前完成任務(wù)的做法使能量利用效率較低。

　　取得性能與節(jié)能平衡的關(guān)鍵在于使用智能軟件，它可以把處理器的性能降低到正好滿足應(yīng)用軟件需求底線的水平。這種軟件應(yīng)該包括“性能設(shè)定”算法，由該算法來確定處理器運(yùn)行的最佳性能級(jí)別，并且管理象 DVS 這樣的性能調(diào)整技術(shù)。

　　現(xiàn)有的 DVS 系統(tǒng)使用的是開環(huán)控制技術(shù)，CPU 的特性是通過給定時(shí)鐘速度和電壓下的工作量來確定的，并留有足夠的余量來適應(yīng)溫度、供電和晶圓工藝的變化。

　　嵌入式處理器被設(shè)計(jì)成能在寬廣的溫度范圍內(nèi)工作和適應(yīng)不同的硅工藝。因此，必須采用較高的安全裕度，才能在電源效率降低時(shí)確保足夠的安全工作范圍。隨著供電電壓逐步轉(zhuǎn)向 1.2V 或更低，所需安全裕度的百分比也隨之增加，以覆蓋溫度及硅片工藝的各種變化。

　　CMOS 電路的速度會(huì)隨溫度的升高而減慢，這一效應(yīng)必須算到供電電壓安全裕度里，雖然一般的工作溫度都是室溫。由于工藝技術(shù)的變數(shù)很多，如不同內(nèi)核、不同晶圓、不同批量甚至不同代工廠都各不相同。為了保證高的產(chǎn)量，這些保護(hù)帶（guard-b ands）可以相當(dāng)寬，從而對(duì)總體功耗有顯著的影響。

　　可以用大量的特性來構(gòu)建一個(gè)頻率與電壓對(duì)照表，以確保在所有工作條件下都能滿足性能要求。然后把一個(gè)確定的電壓／速度集合以硬編碼方式寫到芯片中。在實(shí)際工作中，SoC 上定制的軟件驅(qū)動(dòng)通過一個(gè)專門的硬件接口來設(shè)定所需電壓級(jí)別。在改變時(shí)鐘頻率前，必須通過一個(gè)定時(shí)器或其它方法來檢查穩(wěn)定電壓狀態(tài)（VDD_OK）。

　　自適應(yīng)電壓調(diào)整（AVS）方法是一種閉環(huán)控制技術(shù)，它比 DVS 有明顯的改進(jìn)。AVS 采用固有的對(duì)工藝與溫度變化的補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了電壓調(diào)整的方法，不再需要頻率／電壓表。這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要與嵌入式處理器協(xié)同使用幾個(gè)硬件性能監(jiān)控器，由它們接收從性能設(shè)定算法送來的更改性能級(jí)別的請(qǐng)求。這些性能監(jiān)控器可以準(zhǔn)確地監(jiān)控內(nèi)核內(nèi)外的工藝與溫度變化情況，并且通過標(biāo)準(zhǔn)接口與外部的能量管理單元（EMU）進(jìn)行通信。

　　ARM國(guó)家半導(dǎo)體能量管理解決方案ARM公司一直在研究一種對(duì)性能調(diào)整硬件進(jìn)行智能控制的解決方案。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司則一直在研究一種智能控制供電電壓、簡(jiǎn)化 DVS 方法以及通過 AVS 減小安全裕度的解決方案。兩家公司現(xiàn)在已經(jīng)可以給電池供電設(shè)備的開發(fā)商提供一種端到端的方案。

　　ARM 公司的 Intelligent Energy Manager（智能能量管理器，IEM）解決方案以一個(gè)軟件部件為中心，即 Intelligent Energy Management 軟件。IEM 軟件與運(yùn)行在應(yīng)用軟件下的操作系統(tǒng)（OS）相互銜接，使用從 OS 內(nèi)部架構(gòu)獲得的參數(shù)，通過正在運(yùn)行的應(yīng)用程序“指導(dǎo)” OS 的使用?？梢杂靡恍?fù)雜的軟件算法來評(píng)價(jià)不同類型的軟件活動(dòng)，然后產(chǎn)生一個(gè)對(duì)未來性能的預(yù)測(cè)。每個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果用一個(gè)評(píng)測(cè)棧來加總，以確定出一個(gè)總體的性能預(yù)測(cè)。

　　策略棧的工作情況顯示在圖 4 中。每個(gè)算法都把自己的預(yù)測(cè)作為一種性能級(jí)別 （PeRF.）送進(jìn)棧中，每個(gè)預(yù)測(cè)都有一個(gè)相關(guān)的指令指出當(dāng)前預(yù)測(cè)的權(quán)重，如果信任水平為低則 IGNORE（放棄該預(yù)測(cè)），如果為高則 SET（指定該預(yù)測(cè)），SET_IFGT 表示如果該預(yù)測(cè)的信任水平在棧中為最高，則應(yīng)該使用該水平。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生某特殊事件時(shí)，例如一次任務(wù)切換，則要從棧底開始向上重新對(duì)不同的預(yù)測(cè)進(jìn)行評(píng)估，以導(dǎo)出一個(gè)唯一的總體性能預(yù)測(cè)。

　　與 IEM 軟件一起聯(lián)合工作的是 Intelligent Energy Controller（智能能量控制器，IEC）部件。IEC 是一個(gè) APB 外設(shè)，它可以快速地集成到任何基于 AMBA 規(guī)范的 SoC 設(shè)計(jì)中。IEC 使用精密計(jì)數(shù)器和定時(shí)器測(cè)出當(dāng)前的系統(tǒng)性能水平，并將其送給軟件，以確保處理器的性能永遠(yuǎn)能夠滿足軟件工作負(fù)荷的最低要求。它還將大部分軟件測(cè)量活動(dòng)下載給硬件，從而減少了處理器上 IEM 軟件的開銷。

　　IEC 部件還提供一個(gè)對(duì)性能調(diào)整硬件的抽象。從軟件的角度看，當(dāng)工作負(fù)載變化而且預(yù)測(cè)被修改時(shí)，才向 IEC 提交一個(gè)新的性能級(jí)別請(qǐng)求。這種性能級(jí)別的實(shí)現(xiàn)則用抽象方法對(duì)軟件進(jìn)行隱藏。ARM 的 IEM 軟件部件優(yōu)化功耗的性能設(shè)定算法是基于工作負(fù)荷的差異，與之類似，國(guó)家半導(dǎo)體的PowerWise 技術(shù)也根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境狀況以及各器件間的工藝差異，通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)來確保處理器不會(huì)在最差的情況下工作。

　　國(guó)家半導(dǎo)體用于自適應(yīng)電壓調(diào)整或動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整的 PowerWise 技術(shù)的核心是一個(gè)低門數(shù)、綜合的數(shù)字部件，名叫 Adaptive Power CONtroller（自適應(yīng)功率控制器，APC）。APC 包括硬件性能監(jiān)控器，它可以準(zhǔn)確地監(jiān)控處理器的功耗，跟蹤溫度以及不同器件工藝的變化。APC 與片外能量管理單元（EMU）的通信通過一個(gè)雙線、雙向總線進(jìn)行，這個(gè)總線叫 PowerWise 接口（PWI）。

　　圖 5 顯示了完整的端到端參考解決方案，它使用了 ARM 公司的 IEM 和 IEC 部件，以及國(guó)家半導(dǎo)體公司的 APC 和 EMU 部件。

　　由 ARM 的 IEM 預(yù)測(cè)出的總體性能級(jí)別通過 IEM 硬件部分的抽象層傳送給 APC。APC 自適應(yīng)地調(diào)整供電電壓，以覆蓋內(nèi)核工藝和當(dāng)時(shí)的運(yùn)行條件，滿足特定的性能要求。

　　在設(shè)計(jì)時(shí) IEC 可以配置為連接到片上特別設(shè)計(jì)的時(shí)鐘管理單元（CMU）和 APC 部件。CMU 負(fù)責(zé)為處理器提供與所需性能級(jí)別相適應(yīng)的時(shí)鐘頻率。APC 負(fù)責(zé)管理片外 EMU，為處理器內(nèi)核提供能滿足所需性能級(jí)別的最低電壓，同時(shí)還要考慮當(dāng)前內(nèi)核工藝與溫度狀況。由 IEC 部件來協(xié)調(diào)管理時(shí)鐘頻率與電壓的變化，以保證任何時(shí)候兩者的組合都是有效的，并且不同性能級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換要順利，而且在時(shí)鐘產(chǎn)生方案與外部 EMU 的限制下轉(zhuǎn)換要盡可能快。

　　能量管理的最大限度ARM 與國(guó)家半導(dǎo)體開發(fā)出了這些先進(jìn)的能量管理解決方案，可 以協(xié)助 OEM 廠商實(shí)現(xiàn)他們的手持式電池供電產(chǎn)品的電池壽命最大化（電池壽命現(xiàn)在是最終用戶真正關(guān)心的幾個(gè)關(guān)鍵要素之一）。整個(gè)解決方案具有部件化的特性，這意味著該技術(shù)可以自我調(diào)整去適應(yīng)各種性能調(diào)整硬件，包括 DVS 和 AVS。IEM 預(yù)測(cè)軟件決定了處理器可以運(yùn)行的最低性能級(jí)別，同時(shí)通過 IEC 的幫助，也確保永遠(yuǎn)不會(huì)低于軟件的最低界線。APC 用性能預(yù)測(cè)與外部 EMU 一起工作，使處理器運(yùn)行在能保證應(yīng)用軟件正確運(yùn)行的最低電壓和頻率下。在已確定時(shí)鐘發(fā)生器、供電電壓動(dòng)態(tài)范圍，以及混合應(yīng)用軟件可用余量等限制條件下，這一完整的解決方案能將處理器的功耗降低到最低程度。

　　ARM 智能能量管理技術(shù)可以用于降低一個(gè)嵌入式處理器的能量需求，最高可達(dá)75%。國(guó)家半導(dǎo)體公司的 PowerWise 技術(shù)可以減小安全裕度，并進(jìn)一步減少能耗，與開環(huán)電壓控制方案相比，在室溫下使用 AVS 可以再節(jié)省 45% 的能耗。通過模擬工作與測(cè)試芯片顯示，結(jié)合使用 IEM 和 PowerWise 技術(shù)可以把智能手機(jī)和 PDA 這類產(chǎn)品的總能耗降低 30%，這對(duì)增加電池壽命有相當(dāng)大的好處，同時(shí)還可以減小產(chǎn)品體積或降低成本。

　　正如前面所說，在一個(gè)典型設(shè)計(jì)中，處理器只是許多耗能部件中的一個(gè)。當(dāng) IEM 和 PowerWise 技術(shù)進(jìn)入實(shí)用時(shí)，預(yù)計(jì)它們將被用于在一片 SoC 中，用于控制其它器件。