DSP系統電源管理技術(shù)

在便攜式應用中，低功耗是產(chǎn)品能否獨樹(shù)一幟的關(guān)鍵所在，其決定著(zhù)產(chǎn)品的尺寸大小與操作時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，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 )成為您的首選標準之一。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的電源管理技術(shù)開(kāi)始，并談?wù)勂湓趯?shí)時(shí)應用中會(huì )遇到的諸多難題。電源效率既由硬件設計與組件選擇決定，同時(shí)也由基于軟件的運行時(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)子集成到用于數字信號處理器(DSP)的實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)中，從而使應用開(kāi)發(fā)人員選擇出可滿(mǎn)足其應用要求的專(zhuān)用技術(shù)。我們將以德州儀器公司(TI)的(TI) DSP/BIOS操作系統為作為實(shí)例，顯示運行時(shí)電源管理軟件技術(shù)的實(shí)施方法。 　　運行時(shí)電源管理技術(shù)

　　盡管我們討論的是某些可擴大標準多線(xiàn)程讀取操作系統(OS)的特定電源管理技術(shù)，但應當強調指出的是，采用搶先式(preemptive)的多線(xiàn)程讀取OS本身常常能夠實(shí)現顯著(zhù)的電源節約。不利用OS的實(shí)時(shí)應用常常要求應用周期性探詢(xún)接口以檢測事件。從電源角度看，這樣的效率是相當低的。使用OS可使應用能夠利用中斷驅動(dòng)模式，其中程序就會(huì )在需要的時(shí)候開(kāi)始執行，以響應外部事件。此外，當基于OS的應用沒(méi)有可做的事情時(shí)，其就會(huì )進(jìn)入空閑線(xiàn)程，這時(shí)則可啟動(dòng)低功率操作模式，以減少功耗。

　　但是，操作系統除了能簡(jiǎn)單地為DSP內核啟用空閑模式之外，其還需要提供復雜得多的電源管理支持。在實(shí)踐中，大量功率被周邊設備所消耗，可能是片上器件，也可能是外部設備，此外存儲器也會(huì )消耗大量功率。任何電源管理方法都應當具備管理外設功耗的支持，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(zhù)，更高效的方法是在要求較低電壓的較低時(shí)鐘速率上執行代碼，而不是先以最高的時(shí)鐘速率執行而后再轉為空閑。我們將概括講解在操作系統中實(shí)施電源管理支持的眾多機遇：

　　系統上電行為:

　　處理器及其片上外設一般均以最高時(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 )在應用過(guò)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)，操作系統必須為應用提供一種調節系統的機制，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電路進(jìn)行時(shí)鐘計時(shí)的情況下才發(fā)生。通過(guò)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DSP都融入了暫時(shí)終止CPU有效功耗的機制。CPU時(shí)鐘的閑置通常由停止或閑置指令觸發(fā)，其在應用或操作系統閑置時(shí)進(jìn)行調用。一些DSP進(jìn)行多個(gè)時(shí)鐘域分區，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、外設時(shí)鐘、時(shí)鐘生成器，以及外部存儲器接口。

　　除了支持閑置DSP及其片上外設之外，操作系統還必須提供用于閑置外部周邊設備的機制。例如，一些編碼譯碼器具備可以被激活的內置低功率模式。我們面臨的一個(gè)挑戰是類(lèi)似看門(mén)狗定時(shí)器這樣的外設。通常情況下，看門(mén)狗定時(shí)器應根據預定義的時(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(wú)意中導致應用故障。因此，該OS應當使應用在睡眠模式期間禁用此類(lèi)外設。

　　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，這主要是由于逆向偏壓泄漏(reverse-bias leakage)造成的。如果系統包括的某個(gè)模塊不必隨時(shí)供電，那么我們就可以通過(guò)讓操作系統僅在需要時(shí)才為子系統上電，從而減少功耗。到目前為止，嵌入式系統開(kāi)發(fā)商對最小化靜態(tài)功耗投入的工作極少，因為CMOS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(zhù)增加，這就要求我們對可降低靜態(tài)功耗及更復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(xiàn)性比例，但與電源電壓成平方比。以較低的頻率運行應用與在全時(shí)鐘頻率上運行該應用并轉入閑置相比，談不上節約了多少功率。但是，如果頻率與平臺上可用的更低操作電壓兼容的話(huà)，那么我們就可能通過(guò)降低電壓來(lái)實(shí)現顯著(zhù)的節約，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(guò)電壓縮放來(lái)節約功率進(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，但在現實(shí)世界的應用中我們對其加以利用時(shí)應當小心。這是由于我們需要完全了解該系統是否仍能滿(mǎn)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)的執行時(shí)間，從而有可能導致人物錯過(guò)實(shí)時(shí)最后期限。即便新頻率與最后期限兼容，但如果開(kāi)關(guān)頻率及電壓的等待時(shí)間太長(cháng)，還是會(huì )出現問(wèn)題。影響等待時(shí)間的因素包括如下：

　　* 對穩壓器進(jìn)行再編程所需時(shí)間

　　* DSP能否在電壓更改期間繼續執行其他任何代碼

　　需要對外設進(jìn)行再編程，如串行端口或外部存儲器接口，與接收不同始終來(lái)源的周邊外設相接。例如，CPU 時(shí)鐘速率降低可能要求減少訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的等待狀態(tài)數量。

　　對用于生成操作系統時(shí)鐘報時(shí)信號的計時(shí)器進(jìn)行再編程的可能性，將影響操作系統時(shí)基的絕對正確性。

　　盡管電壓縮放實(shí)際等待時(shí)間會(huì )根據所選DSP以及需要再編程外設的數量而不同，但在許多系統中，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見(jiàn)的模式下，那些需要完全處理功率的應用，還是有可能利用電壓縮放的。例如，便攜式音樂(lè )播放機可利用DSP進(jìn)行MP3譯碼及用戶(hù)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便可在執行用戶(hù)接口功能時(shí)降低其電壓，而僅在音樂(lè )數據開(kāi)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(shuō)明如何將電源管理構建到RTOS中，我們將更詳細地對實(shí)施進(jìn)行總體討論。

　　正如我們在前面討論中看到的那樣，特定系統減小功耗的方法主要取決于應用的性質(zhì)以及DSP和周邊外設提供的選項。因此，關(guān)鍵的設計目標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(jiǎn)單地運用其它操作系統，甚至用于無(wú)操作系統的應用環(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：

　　* 電源管理動(dòng)作是應用觸發(fā)而不是操作系統觸發(fā)的。更改DSP操作模式或功能的主要決策由應用作出，并由PWRM調用推動(dòng)執行。但操作系統可以（也應當）自動(dòng)采取行動(dòng)以節電，只要該行動(dòng)不影響應用即可。例如，PWRM應當在CPU閑置時(shí)自動(dòng)閑置CPU時(shí)鐘。

　　* 電源管理動(dòng)作由應用的控制部分觸發(fā)，但應當對大部分應用代碼均為透明的。例如，具有極高價(jià)值的、優(yōu)化的DSP算法不必重寫(xiě)便可在管理的電源環(huán)境中工作。

　　* 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。

　　* 電源管理器必須協(xié)調整個(gè)應用過(guò)程中的電源事件處理（如應用代碼、驅動(dòng)器以及操作系統本身），并在特定事件發(fā)生時(shí)向已注冊要求獲得通知的客戶(hù)發(fā)出通知。

　　* 電源管理特性必須在任何線(xiàn)程環(huán)境中可用，還必須對特定客戶(hù)的多個(gè)實(shí)例可用（如一個(gè)編碼譯碼器驅動(dòng)器的多個(gè)實(shí)例）。

　　* 在向客戶(hù)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(hù)的完成信號同時(shí)通知其他客戶(hù)。

　　* 電源管理器必須對具有不同功能的不同平臺是可擴展的和便攜性的。

　　電源管理模塊(PWRM)

　　稱(chēng)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(shuō)，電源管理器與內核并行；其并非系統中的另一項任務(wù)，而是作為一系列在應用控制線(xiàn)程以及器件驅動(dòng)器環(huán)境中執行的API而存在的。無(wú)需進(jìn)行內核修改便可合并到PWRM中；但在CPU時(shí)鐘與操作系統計時(shí)器時(shí)鐘相聯(lián)結的平臺上，DSP/BIOS時(shí)鐘模塊(CLK)要進(jìn)行補充例行程序，以使其根據頻率縮放事件調整操作系統時(shí)鐘（作為PWRM的客戶(hù)）。PWRM寫(xiě)入并讀取時(shí)鐘空閑配置寄存器，并通過(guò)控制CPU時(shí)鐘速率及穩壓電路的針對不同平臺的功率擴展庫(PSL)直接與DSP硬件相連接。PSL將PWRM及應用的其他部分與頻率及電壓控制硬件的低級實(shí)施細節相隔離。

　　電源管理器的作用在于管理DSP/BIOS應用中所有與電源相關(guān)的事項，既有應用開(kāi)發(fā)人員靜態(tài)配置的，也有在運行時(shí)動(dòng)態(tài)調用的：

　　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計時(shí)選項。例如，開(kāi)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；或配置節電功能，在導入時(shí)自動(dòng)調用，以便閑置不必要的外設或子系統。

　　電源管理API：

　　PWRM提供了API，使開(kāi)發(fā)人員能夠閑置特定的時(shí)鐘域，以調用定制睡眠模式，并動(dòng)態(tài)更改DSP CPU的操作電壓及頻率。憑借新型API系列，應用還可指定是否應將電壓與頻率同時(shí)縮放，是否可在電壓降低轉換過(guò)程中繼續執行，以及V/F設置點(diǎn)屬性及等待時(shí)間的查詢(xún)。