DSP 系統(tǒng)電源管理技術(shù)

在便攜式應(yīng)用中，低功耗是產(chǎn)品能否獨(dú)樹一幟的關(guān)鍵所在，其決定著產(chǎn)品的尺寸大小與操作時(shí)間。舉例來說，如果您在跨越大洋的飛行時(shí)選擇便攜式DVD播放器作為消遣，那么電池壽命將會(huì)成為您的首選標(biāo)準(zhǔn)之一。在本文中，我們將集中討論許多更為常用的基于軟件的技術(shù)。首先，我們從講解某些可用于嵌入式系統(tǒng)的電源管理技術(shù)開始，并談?wù)勂湓趯?shí)時(shí)應(yīng)用中會(huì)遇到的諸多難題。電源效率既由硬件設(shè)計(jì)與組件選擇決定，同時(shí)也由基于軟件的運(yùn)行時(shí)電源管理技術(shù)決定。本文后半部分將集中展示如何將技術(shù)子集成到用于數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS) 中，從而使應(yīng)用開發(fā)人員選擇出可滿足其應(yīng)用要求的專用技術(shù)。我們將以德州儀器公司 (TI) 的 (TI) DSP/BIOS? 操作系統(tǒng)為作為實(shí)例，顯示運(yùn)行時(shí)電源管理軟件技術(shù)的實(shí)施方法。

運(yùn)行時(shí)電源管理技術(shù)

盡管我們討論的是某些可擴(kuò)大標(biāo)準(zhǔn)多線程讀取操作系統(tǒng) (OS) 的特定電源管理技術(shù)，但應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出的是，采用搶先式 (preemptive) 的多線程讀取OS本身常常能夠?qū)崿F(xiàn)顯著的電源節(jié)約。不利用OS的實(shí)時(shí)應(yīng)用常常要求應(yīng)用周期性探詢接口以檢測(cè)事件。從電源角度看，這樣的效率是相當(dāng)?shù)偷摹Ｊ褂肙S可使應(yīng)用能夠利用中斷驅(qū)動(dòng)模式，其中程序就會(huì)在需要的時(shí)候開始執(zhí)行，以響應(yīng)外部事件。此外，當(dāng)基于OS的應(yīng)用沒有可做的事情時(shí)，其就會(huì)進(jìn)入空閑線程，這時(shí)則可啟動(dòng)低功率操作模式，以減少功耗。

但是，操作系統(tǒng)除了能簡單地為DSP內(nèi)核啟用空閑模式之外，其還需要提供復(fù)雜得多的電源管理支持。在實(shí)踐中，大量功率被周邊設(shè)備所消耗，可能是片上器件，也可能是外部設(shè)備，此外存儲(chǔ)器也會(huì)消耗大量功率。任何電源管理方法都應(yīng)當(dāng)具備管理外設(shè)功耗的支持，這是至關(guān)重要的。此外，電壓與功耗之間的平方關(guān)系意味著，更高效的方法是在要求較低電壓的較低時(shí)鐘速率上執(zhí)行代碼，而不是先以最高的時(shí)鐘速率執(zhí)行而后再轉(zhuǎn)為空閑。我們將概括講解在操作系統(tǒng)中實(shí)施電源管理支持的眾多機(jī)遇：

系統(tǒng)上電行為：處理器及其片上外設(shè)一般均以最高時(shí)鐘速率全面上電啟動(dòng)。不可避免的是，有些資源的供電啟動(dòng)還尚不需要，或者根本就不會(huì)在應(yīng)用過程中用到。舉例而言，MP3播放器就很少使用其USB端口與PC進(jìn)行通信。在啟動(dòng)時(shí)，操作系統(tǒng)必須為應(yīng)用提供一種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的機(jī)制，從而關(guān)閉不必要的電源消耗器件或使之處于空閑狀態(tài)。

空閑模式：CMOS電路中的有效功耗只有在當(dāng)電路進(jìn)行時(shí)鐘計(jì)時(shí)的情況下才發(fā)生。通過關(guān)閉不需要的時(shí)鐘，可以消除不必要的有效功耗。在等待外部事件時(shí)，大多數(shù)DSP都融入了暫時(shí)終止CPU有效功耗的機(jī)制。CPU時(shí)鐘的"閑置"通常由"停止"或"閑置"指令觸發(fā)，其在應(yīng)用或操作系統(tǒng)閑置時(shí)進(jìn)行調(diào)用。一些DSP進(jìn)行多個(gè)時(shí)鐘域分區(qū)，可以使這些域分別處于空閑狀態(tài)，以中止未使用模塊中的有效功耗。例如，在 TI 的TMS320C5510 DSP 中，可以有選擇性地使6個(gè)時(shí)鐘域閑置，其中包括CPU、高速緩存、DMA、外設(shè)時(shí)鐘、時(shí)鐘生成器，以及外部存儲(chǔ)器接口。

除了支持閑置DSP及其片上外設(shè)之外，操作系統(tǒng)還必須提供用于閑置外部周邊設(shè)備的機(jī)制。例如，一些編碼譯碼器具備可以被激活的內(nèi)置低功率模式。我們面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是類似看門狗定時(shí)器這樣的外設(shè)。通常情況下，看門狗定時(shí)器應(yīng)根據(jù)預(yù)定義的時(shí)間間隔提供服務(wù)，以避免其激活。這樣，減緩或中止處理的電源管理技術(shù)就可能無意中導(dǎo)致應(yīng)用故障。因此，該OS應(yīng)當(dāng)使應(yīng)用在睡眠模式期間禁用此類外設(shè)。

斷電：盡管空閑模式消除了有效功耗，但靜態(tài)功耗即便在電路不進(jìn)行切換的情況下也會(huì)出現(xiàn)，這主要是由于逆向偏壓泄漏 (reverse-bias leakage) 造成的。如果系統(tǒng)包括的某個(gè)模塊不必隨時(shí)供電，那么我們就可以通過讓操作系統(tǒng)僅在需要時(shí)才為子系統(tǒng)上電，從而減少功耗。到目前為止，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)商對(duì)最小化靜態(tài)功耗投入的工作極少，因?yàn)镃MOS電路的靜態(tài)功耗非常低。但是，新型、具有更高性能的晶體管使電流泄漏顯著增加，這就要求我們對(duì)可降低靜態(tài)功耗及更復(fù)雜的睡眠模式給予新的關(guān)注。

電壓與頻率縮放 (frequency scaling) 有效功耗與切換頻率成線性比例，但與電源電壓成平方比。以較低的頻率運(yùn)行應(yīng)用與在全時(shí)鐘頻率上運(yùn)行該應(yīng)用并轉(zhuǎn)入閑置相比，談不上節(jié)約了多少功率。但是，如果頻率與平臺(tái)上可用的更低操作電壓兼容的話，那么我們就可能通過降低電壓來實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)約，這正是由于上述平方關(guān)系的緣故。這也使人們就如何通過電壓縮放來節(jié)約功率進(jìn)行了大量的學(xué)術(shù)研究。

盡管電壓縮放是一種潛在的、非常誘人的、降低功耗的方法，但在現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用中我們對(duì)其加以利用時(shí)應(yīng)當(dāng)小心。這是由于我們需要完全了解該系統(tǒng)是否仍能滿足它的實(shí)時(shí)最后期限。降低電壓（進(jìn)而降低 CPU 頻率）將改變給定任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，從而有可能導(dǎo)致人物錯(cuò)過實(shí)時(shí)最后期限。即便新頻率與最后期限兼容，但如果開關(guān)頻率及電壓的等待時(shí)間太長，還是會(huì)出現(xiàn)問題。影響等待時(shí)間的因素包括如下：

• 對(duì)穩(wěn)壓器進(jìn)行再編程所需時(shí)間
  
• DSP 能否在電壓更改期間繼續(xù)執(zhí)行其他任何代碼
  
• 需要對(duì)外設(shè)進(jìn)行再編程，如串行端口或外部存儲(chǔ)器接口，與接收不同始終來源的周邊外設(shè)相接。例如，CPU 時(shí)鐘速率降低可能要求減少訪問外部存儲(chǔ)器的等待狀態(tài)數(shù)量。
  
• 對(duì)用于生成操作系統(tǒng)時(shí)鐘報(bào)時(shí)信號(hào)的計(jì)時(shí)器進(jìn)行再編程的可能性，將影響操作系統(tǒng)時(shí)基的絕對(duì)正確性。

盡管電壓縮放實(shí)際等待時(shí)間會(huì)根據(jù)所選 DSP 以及需要再編程外設(shè)的數(shù)量而不同，但在許多系統(tǒng)中，等待時(shí)間僅為幾百微秒甚至幾毫秒。在許多實(shí)時(shí)應(yīng)用中，這將使電壓縮放不切實(shí)際。盡管存在上述弱點(diǎn)，但僅在某些可事先預(yù)見的模式下，那些需要完全處理功率的應(yīng)用，還是有可能利用電壓縮放的。例如，便攜式音樂播放機(jī)可利用 DSP 進(jìn)行 MP3 譯碼及用戶接口要求的一般控制處理。如果僅 MP3 譯碼要求完全時(shí)鐘速率，那么 DSP 便可在執(zhí)行用戶接口功能時(shí)降低其電壓，而僅在音樂數(shù)據(jù)開始流向 DSP 時(shí)才以完全功率工作。

在 DSP RTOS 中實(shí)施電源管理

上述電源管理技術(shù)的一個(gè)子集已包括在DSP 的 RTOS 中。為了更好地說明如何將電源管理構(gòu)建到 RTOS 中，我們將更詳細(xì)地對(duì)實(shí)施進(jìn)行總體討論。

正如我們?cè)谇懊嬗懻撝锌吹降哪菢樱囟ㄏ到y(tǒng)減小功耗的方法主要取決于應(yīng)用的性質(zhì)以及DSP 和周邊外設(shè)提供的選項(xiàng)。因此，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是高效性及靈活性。盡管下面所描述的實(shí)施是就特定 RTOS 而言的，但其概念可簡單地運(yùn)用其它操作系統(tǒng)，甚至用于無操作系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

電源管理器 (PWRM) 的要求

首款電源管理器實(shí)施的關(guān)鍵要求如下：

1. 電源管理動(dòng)作是應(yīng)用觸發(fā)而不是操作系統(tǒng)觸發(fā)的。更改 DSP 操作模式或功能的主要決策由應(yīng)用作出，并由PWRM調(diào)用推動(dòng)執(zhí)行。但操作系統(tǒng)可以（也應(yīng)當(dāng)）自動(dòng)采取行動(dòng)以節(jié)電，只要該行動(dòng)不影響應(yīng)用即可。例如，PWRM 應(yīng)當(dāng)在 CPU 閑置時(shí)自動(dòng)閑置 CPU 時(shí)鐘。
   
2. 電源管理動(dòng)作由應(yīng)用的控制部分觸發(fā)，但應(yīng)當(dāng)對(duì)大部分應(yīng)用代碼均為透明的。例如，具有極高價(jià)值的、優(yōu)化的 DSP 算法不必重寫便可在管理的電源環(huán)境中工作。
   
3. 電源管理器必須支持電壓與頻率 (V/F) 縮放，還必須充分利用芯片閑置與睡眠模式。
   
4. 電源管理器必須協(xié)調(diào)整個(gè)應(yīng)用過程中的電源事件處理（如應(yīng)用代碼、驅(qū)動(dòng)器以及操作系統(tǒng)本身），并在特定事件發(fā)生時(shí)向已注冊(cè)要求獲得通知的客戶發(fā)出通知。
   
5. 電源管理特性必須在任何線程環(huán)境中可用，還必須對(duì)特定客戶的多個(gè)實(shí)例可用（如一個(gè)編碼譯碼器驅(qū)動(dòng)器的多個(gè)實(shí)例）。
   
6. 在向客戶發(fā)出電源事件通知時(shí)，電源管理器必須支持事件處理的延遲完成，并在等待延遲客戶的完成信號(hào)同時(shí)通知其他客戶。
   
7. 電源管理器必須對(duì)具有不同功能的不同平臺(tái)是可擴(kuò)展的和便攜性的。

電源管理模塊 (PWRM)

稱作 PWRM 的電源管理器作為 DSP/BIOS 的一個(gè)附屬模塊被添加，如圖1所示。

從概念上說，電源管理器與內(nèi)核并行；其并非系統(tǒng)中的另一項(xiàng)任務(wù)，而是作為一系列在應(yīng)用控制線程以及器件驅(qū)動(dòng)器環(huán)境中執(zhí)行的 API 而存在的。無需進(jìn)行內(nèi)核修改便可合并到 PWRM 中；但在 CPU 時(shí)鐘與操作系統(tǒng)計(jì)時(shí)器時(shí)鐘相聯(lián)結(jié)的平臺(tái)上，DSP/BIOS 時(shí)鐘模塊(CLK) 要進(jìn)行補(bǔ)充例行程序，以使其根據(jù)頻率縮放事件調(diào)整操作系統(tǒng)時(shí)鐘（作為 PWRM 的客戶）。PWRM寫入并讀取時(shí)鐘空閑配置寄存器，并通過控制 CPU 時(shí)鐘速率及穩(wěn)壓電路的針對(duì)不同平臺(tái)的功率擴(kuò)展庫 (PSL) 直接與DSP硬件相連接。PSL 將 PWRM 及應(yīng)用的其他部分與頻率及電壓控制硬件的低級(jí)實(shí)施細(xì)節(jié)相隔離。

電源管理器的作用在于管理 DSP/BIOS 應(yīng)用中所有與電源相關(guān)的事項(xiàng)，既有應(yīng)用開發(fā)人員靜態(tài)配置的，也有在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)用的：

• 電源管理操作的靜態(tài)配置。PWRM 支持 DSP/BIOS 配置工具為一些電源管理操作提供設(shè)計(jì)時(shí)選項(xiàng)。例如，開發(fā)人員可配置閑置功能，插入 DSP/BIOS 閑置環(huán)路中，以自動(dòng)閑置 DSP 緩存及 CPU；或配置節(jié)電功能，在導(dǎo)入時(shí)自動(dòng)調(diào)用，以便閑置不必要的外設(shè)或子系統(tǒng)。
  
• 電源管理 API：PWRM 提供了 API，使開發(fā)人員能夠閑置特定的時(shí)鐘域，以調(diào)用定制睡眠模式，并動(dòng)態(tài)更改 DSP CPU 的操作電壓及頻率。憑借新型API系列，應(yīng)用還可指定是否應(yīng)將電壓與頻率同時(shí)縮放，是否可在電壓降低轉(zhuǎn)換過程中繼續(xù)執(zhí)行，以及V/F 設(shè)置點(diǎn)屬性及等待時(shí)間的查詢。
  
• 電源事件的注冊(cè)和通知：為協(xié)調(diào)整個(gè)應(yīng)用過程中的 V/F 縮放、睡眠模式以及其他電源事件，PWRM 引入了新的注冊(cè)及通知機(jī)制，使處理電源事件（如"將更改 V/F 設(shè)置點(diǎn)"、"已更改 V/F 設(shè)置點(diǎn)"、"將進(jìn)入睡眠模式"、"退出睡眠模式"、"電源故障"等）的實(shí)體（如應(yīng)用代碼、外設(shè)驅(qū)動(dòng)器、打包的內(nèi)容以及操作系統(tǒng)時(shí)鐘模塊等）能夠就其處理的特定電源事件進(jìn)行注冊(cè)以獲得有關(guān)通知。

PWRM 帶給 DSP/BIOS 的關(guān)鍵特性是"中央注冊(cè)系統(tǒng) (central registry)"，使處理電源事件的代碼可就其需要獲得通知的特定電源事件進(jìn)行注冊(cè)，以獲得有關(guān)通知，并能夠在其不再需要通知時(shí)不進(jìn)行注冊(cè)。圖2顯示了注冊(cè)與通知概念：

圖2 電源事件通知概念

在該例中，客戶注冊(cè)并獲得關(guān)于特定 V/F 電源縮放事件通知。圖中編號(hào)列出的步驟為：

1. 應(yīng)用代碼進(jìn)行注冊(cè)，以獲得 V/F 設(shè)置點(diǎn)更改通知。例如，DSP 就不同的設(shè)置點(diǎn)要求不同的外部存儲(chǔ)器接口 (EMIF) 設(shè)置，因此應(yīng)用寄存器便可控制電源管理器 (PWRM) 代碼，進(jìn)而 EMIF 設(shè)置則可隨著設(shè)置點(diǎn)的更改而改變。作為注冊(cè)的一部分，應(yīng)用代碼在事件發(fā)生時(shí)告知：PWRM 要調(diào)用的特定的通知功能；作為通知一部分傳遞的針對(duì)不同客戶的參數(shù)；以及控件代碼能夠操作的 V/F 設(shè)置點(diǎn)（從而使 PWRM 不會(huì)試圖啟動(dòng)無支持的設(shè)置點(diǎn)更改）。
   
2. 采用串行端口及DMA 傳輸數(shù)據(jù)寄存器的 DSP/BIOS 編碼譯碼器驅(qū)動(dòng)器將獲得 V/F 設(shè)置點(diǎn)更改通知。 在該應(yīng)用中，在較低 V/F 設(shè)置點(diǎn)上沒有 MP3 譯碼發(fā)生。因此在沒有執(zhí)行 MP3 回放時(shí)，驅(qū)動(dòng)器可閑置串行端口以及 DMA 時(shí)鐘域，并設(shè)置外部編碼譯碼器為低功率模式。
   
3. 與此類似，文件系統(tǒng)管理器也注冊(cè)到 PWRM，以便獲得設(shè)置點(diǎn)更改的通知，因?yàn)槠涔芾碇鎯?chǔ)媒體。
   
4. 應(yīng)用決定更改 V/F 設(shè)置點(diǎn)（如 MP3 播放器模式的更改），并調(diào)用PWRM API以啟動(dòng)設(shè)置點(diǎn)更改。
   
5. PWRM 確認(rèn)新的設(shè)置點(diǎn)就所有已注冊(cè)客戶啟用，并隨后將待進(jìn)行的設(shè)置點(diǎn)更改通知給所有已注冊(cè)的客戶。
   
6. PWRM 向 PSL 發(fā)出調(diào)用，以更改電壓及頻率設(shè)置點(diǎn)。為了安全地更改 V/F 設(shè)置點(diǎn)，PSL 將適當(dāng)寫入時(shí)鐘生成及電壓穩(wěn)壓硬件。
   
7. 在設(shè)置點(diǎn)更改后，PWRM 將通知客戶設(shè)置點(diǎn)已發(fā)生更改。

電源管理器的配置

DSP/BIO 實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核對(duì)象的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。例如，任務(wù)在設(shè)計(jì)時(shí)利用圖形配置工具可靜態(tài)創(chuàng)建，也可在運(yùn)行時(shí)通過 TSK_create() API 調(diào)用動(dòng)態(tài)創(chuàng)建。電源管理器的許多配置參數(shù)涉及到設(shè)計(jì)時(shí)間決策；因此電源管理的靜態(tài)配置被添加至 DSP/BIOS 圖形配置工具使用的配置文件。以下電源管理器參數(shù)是可靜態(tài)配置的：

1. 電源管理器啟用／禁用
   
2. 應(yīng)用是否需要在導(dǎo)入時(shí)調(diào)用特定的用戶功能以減小功耗
   
3. 應(yīng)用是否需要就頻率縮放事件對(duì) BIOS 時(shí)鐘進(jìn)行再編程
   
4. 應(yīng)用是否需要在 CPU 空閑時(shí)自動(dòng)閑置時(shí)鐘域
   
5. 電壓與頻率縮放啟用／禁用
   
6. 導(dǎo)入時(shí)CPU頻率值
   
7. 導(dǎo)入時(shí)CPU電壓值
   
8. 電壓縮放啟用／禁用
   
9. 應(yīng)用是否需要在電壓下降時(shí)等待
   
10. 應(yīng)用是否需要在 DSP 進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)時(shí)閑置時(shí)鐘域
    
11. 哪些中斷可將 DSP 退出深度睡眠模式

圖 3 所示的屏幕截面圖反映了配置過程，顯示了電源管理器一般屬性的配置列表。

圖3、配置電源管理器一般屬性

除了電源管理器靜態(tài)配置屬性之外，以下屬性是在運(yùn)行時(shí)通過導(dǎo)出的電源管理器 API 動(dòng)態(tài)再配置的：

1. 當(dāng) CPU 空閑時(shí)，時(shí)鐘域自動(dòng)處于空閑狀態(tài)
   
2. 與頻率一起啟用電壓縮放
   
3. 在電壓降低時(shí)等待

總結(jié)

在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中可部署一些設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)電源管理技術(shù)。一般來說，有些技術(shù)對(duì)廣泛系列的系統(tǒng)均是適用的，而另外一些技術(shù)則只適用于專門的應(yīng)用。例如，顯示了某些技術(shù)如何被整合到 DSP/BIOS RTOS 系統(tǒng)中，同時(shí)應(yīng)用開發(fā)商還能夠就其應(yīng)用的要求選擇合適的技術(shù)。