數(shù)字信號處理(DSP)應用系統(tǒng)中的低功耗設計

    隨著電池供電系統(tǒng)應用的日趨廣泛，許多系統(tǒng)特別是便攜式產品都面臨低功耗設計的問題，以DSP為核心的應用系統(tǒng)當然也不例外。本文就TMS320系列定點DSP器件為例，介紹一些行之有效的降低功耗的設計方法。 

　　一、合理選擇DSP器件

　　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栽O計人員在進行電路低功耗設計時要熟悉DSP及其相關產品的情況。DSP器件的功耗與該系統(tǒng)的電源電壓有關，同一系列的產品，其供電電壓也可能不同，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)設計首要目標的情況下，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。DSP生產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，非常適合應用于電池供電系統(tǒng)。此外，TI公司還充分考慮 DSP電源供電設計的問題，為支持DSP設計的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，對于系統(tǒng)降低功耗也有重要的作用。

　　TPS767D3XX在全部1-A輸出范圍內提供極快的瞬態(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350mV?？梢哉f，選擇何種器件基本上就決定了系統(tǒng)功耗的大小。

　　二、讓DSP以適當?shù)乃俣冗\行

　　TMS320系列的DSP一般采用CMOS工藝，CMOS電路的靜態(tài)功耗極小，而其動態(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)亟档蚑MS320的系統(tǒng)時鐘頻率令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)行同樣程序代碼的時間會相應縮短。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)行該段代碼用時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器件內部邏輯狀態(tài)轉換的數(shù)目。如此看來，似乎DSP的功耗并未降低，那為什么不讓DSP全速運行呢？原來，DSP以全速運行完代碼后使用IDLE指令，進入降功耗模式后，仍然是要消耗能量的。盡管DSP全速運行和適速運行該段代碼所耗電能是相同的，但是在前一種情況下，DSP在空閑狀態(tài)還要消耗能量，而后一種情況,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。

　　三、在軟件設計中降低功耗

　　CPU內部執(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,在允許的情況下盡可能多使用低功耗指令，可以降低系統(tǒng)功耗。TMS320C55X有幾種降功耗模式，這些降功耗模式中最常用的是IDLE和IDLE2指令。IDLE指令將CPU內部操作掛起，但是仍保留內部各部件邏輯的時鐘，允許串口等片內外設繼續(xù)工作。在使用20MHz的系統(tǒng)時鐘時,使用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。

　　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）這類比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，這個數(shù)值是在所有數(shù)據(jù)并行處理的時候得到的，這里的并行處理是指MACD的操作數(shù)存放在不同的數(shù)據(jù)塊中,對它們進行操作的時候，兩塊數(shù)據(jù)將被同時選中。因此為了降低系統(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)一同存儲在其片內4K的SARAM中。 

    四、存儲器類型對功耗的影響

　　前文已經提到，在DSP器件按某一算法對數(shù)據(jù)進行處理時，DSP片內的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，片內的存儲器有單訪問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字節(jié)的容量，因此在一般情況下它被設置為數(shù)據(jù)RAM。在相同的條件下執(zhí)行一段測試代碼，程序在片內的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，而在片內的ROM中運行代碼則可節(jié)省這部分能量。執(zhí)行存放在片內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ROM中運行可省去驅動外部程序存儲器接口電路所需要的電流。


　　五、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，外圍電路的驅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。

　　結束語

　　除前面所提影響DSP應用系統(tǒng)功耗的幾個因素以外，還有很多其他因素，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細致地對硬件、軟件進行多方面的優(yōu)化，從而有效地降低系統(tǒng)功耗。