從應用層和后臺分析便攜式電子產(chǎn)品的節(jié)能技術(shù)

　　表：將工作模式映射到協(xié)議及硬件兩種模式。
　　
　　如果芯片的工作頻率低于其最高上限，很多時候可以調(diào)低工作電壓，并且數(shù)字邏輯電路仍有足夠的時序余量。只要因應頻率的轉(zhuǎn)變調(diào)節(jié)電壓，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)功能基本上通過開放環(huán)路控制系統(tǒng)實現(xiàn)，辦法是首先設定多個不同的頻率與電壓的固定組合，每當工作頻率有變，電壓便會根據(jù)與該頻率相配的電壓值做出相應修改。另一方面，自適應電壓調(diào)節(jié)(AVS)功能則通過閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)，方法是利用片上傳感器決定最低可予接受的供電電壓，其優(yōu)點是比采用開環(huán)的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)方式節(jié)省更多電能。
　　
　　CMOS 功耗是開關(guān)(動態(tài))功率及漏電功率的總和：
　　
　　P=PSWITCH+PLEAKAGE"C×VDD2Af+VDD×ILEAKAGE
　　
　　上述公式中：
　　
　　C 是數(shù)字系統(tǒng)的開關(guān)電容，VDD是供電電壓，f是開關(guān)時鐘頻率，A是開關(guān)活動因子，ILEAKAGE是漏電電流。
　　
　　動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)采用列表的方法，將不同的頻率與工作所需的供電電壓配對，顯示以某一頻率工作所需的供電電壓。每一時鐘頻率所需的供電電壓會因不同產(chǎn)品的不同要求而異，而且有關(guān)的電壓值必定設定為最糟糕情況下所需的電壓，以便滿足不同芯片工藝技術(shù)及不同系統(tǒng)工作溫度的要求。圖1顯示動態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。換言之，頻率會調(diào)低，而供電電壓也會隨著調(diào)低。由于上述有關(guān)功耗的公式之中的兩個可變項f及VDD2都減小，因此系統(tǒng)的功耗會大幅下降。當系統(tǒng)任務管理器確定工作頻率需要增加，功率管理單元將首先要求改變電壓，一段時間后時鐘發(fā)生器將切換到高的工作頻率。提高電壓所需的時間可以通過不同的途徑?jīng)Q定，例如可以由片上計時器(VDD_OK)決定，也可根據(jù)系統(tǒng)的功能要求或電源管理單元的狀態(tài)標記做出決定。但有一點需要注意，對于以最高頻率工作的固定電壓系統(tǒng)來說，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能不會為系統(tǒng)帶來任何功耗的節(jié)省。
　　
　　AVS技術(shù)與開環(huán)DVS技術(shù)不同，AVS技術(shù)設有反饋電路，讓片上硬件性能監(jiān)控電路(HPM)可以為自適應電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供反饋信號。由于硬件性能監(jiān)控電路設于微控制器之內(nèi)，所采用的工藝技術(shù)與微控制器所用的完全相同，而且工作時處于與系統(tǒng)相同的溫度環(huán)境內(nèi)，因此允許將電源電壓調(diào)節(jié)到器件能夠接受的實際極限。根據(jù)最接近系統(tǒng)真正需要的頻率調(diào)節(jié)供電電壓，而非為假設的最壞情況提供供電。
　　
　　圖2 顯示AVS實現(xiàn)的框圖。整個電路系統(tǒng)由以下4個功能模塊組成：硬件性能監(jiān)控電路、先進電源控制器(APC)、PowerWise接口(PWI)及電源管理單元(PMU)。PWI接口由ARM公司及美國國家半導體合作開發(fā)，可為內(nèi)置的先進電源控制器提供一個標準的雙線控制接口，以便控制外接的PMU。由這幾個功能模塊組成的自適應電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以為工作在任何頻率、溫度或者硅工藝的器件提供最小的電源電壓。
　　
　　APC利用來自硬件性能監(jiān)控電路的輸入信號來確定是否存在任何的電源電壓優(yōu)化方法。APC通過PWI將電壓調(diào)節(jié)指令傳送至PMU，而PMU便按照請求提供所需的供電電壓。HPM不斷監(jiān)控工作在最新調(diào)節(jié)電壓下的芯片。如果能采用進一步的優(yōu)化措施，APC會發(fā)出最新的電壓調(diào)節(jié)指令。電源必須按照APC的命令適時地調(diào)節(jié)其供電電壓，以便AVS控制系統(tǒng)的反饋環(huán)路能夠穩(wěn)定。
　　
　　無論嵌入式計算系統(tǒng)以哪一頻率(包括最高頻率)工作，AVS技術(shù)都能獲得近乎最佳的工作功率。最大工作頻率下微控制器的電源電壓規(guī)范能確保系統(tǒng)在即使采用最差的硅工藝技術(shù)情況下，芯片也可在最高工作溫度環(huán)境下正常工作。但一般來說真正的工作溫度都比規(guī)定的最高溫度低，而芯片的工藝技術(shù)一般都比最壞的情況好。在這樣的情況下，即使以最高頻率工作，仍有足夠空間將電壓進一步調(diào)低。開環(huán)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)則不具有這個特點，但AVS技術(shù)則可利用片上HPM的反饋來發(fā)現(xiàn)這種額外的性能，即使是在最高的工作頻率下，APC也能控制PMU將工作電壓調(diào)低。