嵌入式媒體引擎的實(shí)用電源管理

2004年10月B版

目前，可用的電源管理技術(shù)很多，人們也在積極研究許多新技術(shù)。遺憾的是最有效的技術(shù)常常與操作系統(tǒng)及應(yīng)用框架發(fā)生沖突。新技術(shù)往往相當(dāng)復(fù)雜，并針對(duì)特定的專門應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，在多用途計(jì)算平臺(tái)上的適用性也時(shí)常受限制。本文首先總結(jié)了普通的節(jié)電技術(shù)，然后介紹一些效果更好 (higher-payoff) 的技術(shù)(CPU 時(shí)鐘閑置以及電壓與頻率縮放)，并將介紹這些支持技術(shù)如何集成為輔助電源管理器模塊，從而成為數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在此提供了一個(gè)音頻應(yīng)用實(shí)例，說明如何利用該架構(gòu)大幅提高功效。本文是專門介紹低功率設(shè)計(jì)的上下兩部分系列文章中的第一篇。第二篇文章將集中討論外設(shè)及 I/O 電源管理技術(shù)，將節(jié)電擴(kuò)展到 CPU 內(nèi)核范疇之外。

圖1   電源管理器分區(qū)

節(jié)電技術(shù)
CMOS 電路的總功耗是活動(dòng)功耗與靜態(tài)功耗之和。電路工作或從一種邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種邏輯狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生活動(dòng)功耗；電路未發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)發(fā)生靜態(tài)功耗，主要是由于晶體管漏電流造成的?；顒?dòng)功耗近似值的計(jì)算方程式如下：Pactive ~ Cpd x F x Vcc2 x Nsw
這里的 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)。從上述方程式中看到，最簡(jiǎn)單的節(jié)約活動(dòng)功耗的方法就是停止電路計(jì)時(shí)，即設(shè) F為零，讓 Pactive 為零。許多 CPU 都有“閑置”或“停止”指令以實(shí)現(xiàn)此目的，在 CPU 等待中斷時(shí)通過門控使內(nèi)部 CPU 時(shí)鐘關(guān)閉。此外，一些處理器還包括分立控件，可通過門控關(guān)閉非 CPU 時(shí)鐘域，如高速緩存、DMA、外設(shè)、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器等。
回過頭再來看上面的方程式，如果應(yīng)用在降低 CPU 時(shí)鐘速率時(shí)仍可滿足處理要求，則就能相應(yīng)成比例地節(jié)約活動(dòng)功耗。如果 CPU 頻率可安全降低，而且該頻率與 CPU 可用的較低工作電壓兼容，那么由于 Vcc 的二次關(guān)系，通過降低電壓就可能額外大大降低功耗。不過，降低 CPU 時(shí)鐘速率也會(huì)成比例延長(zhǎng)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間，這就要求認(rèn)真分析應(yīng)用，看看其能否仍能滿足實(shí)時(shí)要求。表 1 給出了常用的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié)，表 2 則給出了常用的運(yùn)行時(shí)間節(jié)電技術(shù)。

為 OS 添加電源管理支持
時(shí)鐘閑置以及動(dòng)態(tài)頻率與電壓的縮放對(duì)總體應(yīng)用和操作系統(tǒng)本身都會(huì)產(chǎn)生巨大影響，這常常是實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的一個(gè)障礙，例如，如果 CPU 頻率的縮放是動(dòng)態(tài)的，就可能影響 OS時(shí)間基，而且會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘與 CPU 時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序的故障。同樣，如果某項(xiàng)任務(wù)在等待 I/O 完成時(shí)任意使 CPU 閑置，那就很容易導(dǎo)致應(yīng)用死鎖。因此，為了積極采用上述技術(shù)，OS 功耗必須低 (power aware)，某些操作責(zé)任(如 CPU 時(shí)鐘閑置)必須由 OS 來承擔(dān)。
德州儀器(TI)的 DSP/BIOS操作系統(tǒng)增加了電源管理器模塊(PWRM)作為輔助模塊，如圖1所示。
電源管理器與 OS 內(nèi)核聯(lián)系松散，位于該內(nèi)核的旁邊；它不是作為系統(tǒng)中的另一項(xiàng)任務(wù)，而是作為一組 API 存在，在應(yīng)用控制線程與器件驅(qū)動(dòng)器環(huán)境下執(zhí)行。
表 3 總結(jié)了電源管理器的運(yùn)行時(shí)間 API。通過上述 API，電源管理器可支持電壓及頻率 (V/F) 縮放、僅頻率縮放、時(shí)鐘域閑置、OS 閑置時(shí)間內(nèi)配置時(shí)鐘的自動(dòng)閑置，而最重要的則是整個(gè)應(yīng)用中的用電事件之間得處理協(xié)調(diào)(如應(yīng)用代碼、驅(qū)動(dòng)程序以及 OS 本身)，從而通知注冊(cè)的客戶端 (client) 特定用電事件何時(shí)發(fā)生。用電事件的實(shí)例為：將要縮放頻率，縮放頻率完成，進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，從深度睡眠狀態(tài)蘇醒，電力不足等。電源管理活動(dòng)是觸發(fā)式應(yīng)用；更改 DSP 操作模式或功能的主要決定由應(yīng)用做出，并通過調(diào)用電源管理器提供幫助。
通過寫入時(shí)鐘閑置配置寄存器，以及控制著 CPU 時(shí)鐘速率與穩(wěn)壓電路的平臺(tái)專用功耗調(diào)整程序庫 (PSL)，PWRM 直接與 DSP 硬件相連。PSL 將 PWRM 及應(yīng)用的其它部分與頻率及電壓控制硬件的低電平 (low-level) 實(shí)施細(xì)節(jié)相隔離，確保在所支持的電壓與頻率組合(設(shè)定點(diǎn))間實(shí)現(xiàn)安全過渡。

音頻實(shí)例
以簡(jiǎn)單的音頻應(yīng)用作測(cè)試工具 (vehicle)并作為測(cè)試電源管理器特性效率的基準(zhǔn)。該應(yīng)用經(jīng)過修改可測(cè)量激活不同節(jié)電特性時(shí)的效果。電流感測(cè)電阻器主板電源以及 DSP 內(nèi)核電源串聯(lián)，并用伏特計(jì)測(cè)量電阻器上的壓降以確定主板及 DSP 內(nèi)核的電流。表 4 概括了上述結(jié)果。

結(jié)語
采取分階段的方法來實(shí)施電源管理可大大降低功耗。不必等目前正在進(jìn)行的新技術(shù)研究取得成果；在某些情況下，將基本而實(shí)用的一些關(guān)鍵支持技術(shù)結(jié)合到操作系統(tǒng)或應(yīng)用框架中就可實(shí)現(xiàn) CPU 節(jié)電達(dá) 95% 以上。電源管理支持的設(shè)計(jì)方式可做到：方便易用，允許開發(fā)人員選取滿足具體應(yīng)用要求的特定技術(shù)，而且非常便于攜帶。該框架可作為跳板，為添加新出現(xiàn)的更先進(jìn)的 (aggressive) 專用技術(shù)以及未來的電源管理技術(shù)作好準(zhǔn)備?！?/p>