如何處理好嵌入式DSP設計中的功耗優(yōu)化

圖1：工作功耗和待機功耗

了解功耗分布有助于設計人員選擇一個(gè)具功率效率的處理器，因為在某些類(lèi)型的應用中，DSP的基本CMOS技術(shù)可能對功耗產(chǎn)生很大的影響。先進(jìn)的CMOS工藝則基于工作電壓極低的高性能晶體管。根據既定應用，可以量身定做晶體管，通過(guò)對靜態(tài)電流進(jìn)行鉗位把功耗降至最小，或把性能提高到最大，盡管這樣會(huì )稍微增加泄漏電流。專(zhuān)門(mén)為手機這樣的待機時(shí)間很長(cháng)的應用而設計的DSP，可通過(guò)低泄漏晶體管把靜態(tài)電流降至最低，而為總是處于激活狀態(tài)的高性能應用而設計的DSP則較青睞開(kāi)關(guān)速度更快的晶體管。

系統使用還包括系統對各種事件的響應，以及電路接通電源時(shí)的延遲。初始上電時(shí)可能有一些延遲，而系統從待機模式被喚醒時(shí)，較小的延遲是可以接受的。但用戶(hù)一般都期望處于激活工作狀態(tài)的系統能夠即時(shí)響應，故而這時(shí)片上功能不能處于深度睡眠模式。這里有兩方面的考慮：第一，部分功能可以較其它功能更徹底地關(guān)斷，尤其是在待機期間，激活工作期間也如此。第二，處理器的功率模式控制能力越精細，設計人員就越能夠進(jìn)行充分的功耗調節以適合系統的操作情況。

高功率效率的DSP芯片設計通過(guò)建立電源域，使應用能夠切斷不在使用中的功能的時(shí)鐘輸入，從而把所有這些因素都考慮在內了。正如處理內核能夠進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)它不執行任何操作，直到被中斷信號喚醒，外設和存儲器模塊也同樣可以被置于睡眠模式，在需要時(shí)才被喚醒。無(wú)時(shí)鐘輸入功能中的晶體管除靜態(tài)電流之外，沒(méi)有什么功耗，而恢復時(shí)鐘所需的喚醒延遲被減至最小。系統設計人員在考慮其產(chǎn)品的使用情況時(shí)，還需要考慮到在為各項功能提供時(shí)鐘方面，DSP能夠提供多少控制能力，或是否能夠自動(dòng)處理。

節能DSP內建的另一項功能是能夠調節核心電壓和頻率。如果DSP可降低核心時(shí)鐘速率并仍然滿(mǎn)足其處理要求，則工作功耗會(huì )相應地按比例節省。更低的頻率加上更低的工作電壓，可以節省相當可觀(guān)的能量?？梢栽谙到y啟動(dòng)時(shí)調節電壓和頻率以適于整個(gè)系統的運行，也可以在應用需要改變時(shí)通過(guò)軟件對之予以動(dòng)態(tài)控制，這就為非峰值處理期間的功耗削減提供了一種重要的手段。

正確功率信息的獲得

復雜DSP系統可能具有多個(gè)內核、應用和管理模式，這使得對功率的估算極其困難。傳統的功率確定方法基于某些信息來(lái)實(shí)現，比如器件數據手冊上注明的最大電流值，每周期或每條指令的耗電量(mA/MHz, mA/MIPS)以及測試案例等。

這些方法只能用來(lái)做粗略估算，但對內核、外設和片上存儲器可以根據應用和操作模式進(jìn)行獨立開(kāi)關(guān)的復雜系統而言，是不足以估算DSP功耗的。設計人員需要清楚了解實(shí)際應用中片上各項功能的具體功耗，因為實(shí)際的功率信息使他們能夠更加精確地估算出不同實(shí)現方案的結果，并測定出在不同平臺上應用是如何影響功耗的。

在DSP制造方面，所需要的是模塊化的功率估算方案，即把設備劃分為若干子系統，然后獨立運行每一個(gè)子系統。一旦確定了每一個(gè)片上功能的最大功率值和空閑功率值，就可以通過(guò)插值法為一個(gè)功能建立一條功耗曲線(xiàn)。于是，在明確了每一功能的運行級別之后，可以把從各條曲線(xiàn)獲得的功率值累加，最后給出整個(gè)設備的實(shí)際功率估算值。

圖2是一個(gè)功率估算電子數據表，它把一個(gè)典型的DSP分解為若干個(gè)子系統，由用戶(hù)輸入相關(guān)參數，然后可以返回設備的功率估算值。就像這個(gè)電子數據表所顯示的，估算是否正確取決于用戶(hù)提供的信息是否反映出對系統使用方式的良好了解，包括數據寬度、頻率、電源電壓和使用中外設的可用帶寬的百分比等因素。

圖2：功耗估算

低功耗設計

具有功耗意識的設計(Power-conscious design)技術(shù)可以幫助DSP設計人員充分利用正確的功率估算。在系統級，設計人員應該精心選擇相關(guān)元件，使其數目盡可能地低。此外，設計人員還應該考慮到哪些未使用的元件可以置于省電模式，尤其是在待機期間。板級存儲器的使用也是一個(gè)功率消耗源，因為必須同時(shí)給存儲器芯片和電路板跡線(xiàn)供電。

應用應該盡可能地使用DSP的內部存儲器，以保持片上大帶寬存儲，把外部存儲器保留用作偶爾的低速存取。片外存儲器也可以很好地完成啟動(dòng)工作，但應該在啟動(dòng)后被置于省電模式。為了減少存儲器中的代碼量和所取指令的數量，應該優(yōu)化軟件提升性能。更緊湊的代碼有助于更好地利用緩存和內部指令緩沖器，而且運行速度更快，故能減少系統處于激活模式的時(shí)間。

大多數特定設備都是利用DSP的內建硬件能力來(lái)降低功耗的。從一啟動(dòng)開(kāi)始，應用設備就 可以讓不使用的模塊處于空閑狀態(tài)，外設功耗只限用于那些在指定時(shí)間才需要的I/O 。應用通常在啟動(dòng)時(shí)就直接控制各個(gè)模塊，稍后，DSP內核可以后臺執行一個(gè)循環(huán)來(lái)檢測哪些功能不需要，然后把它們關(guān)斷。如果應用采用了這些技術(shù)，芯片的睡眠模式就可以把空閑期間內核及芯片的功耗降至最低。

若所要求的總體性能不等于設備的全部能力，則可以在啟動(dòng)時(shí)就對DSP內核電壓和頻率(V/F)進(jìn)行調節。若系統在具有不同性能負載的應用間更替，V/F調節也可以在運行期間動(dòng)態(tài)進(jìn)行。要實(shí)現V/F調節，設計必需提供DSP外部電源電壓控制，以及內建于后臺循環(huán)程序的軟件控制。由于頻率調節減慢內核的運行速度，設計人員在應用設計中應該考慮到相互關(guān)聯(lián)的各個(gè)操作間的時(shí)序問(wèn)題。

OS中的功率管理

不論是通過(guò)V/F調節還是通過(guò)低功耗模式來(lái)動(dòng)態(tài)改變系統的功率要求，都需要涉及到DSP的實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)。RTOS中的功率管理(PM)模塊能夠在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現功耗節省，并在整個(gè)系統上協(xié)調各個(gè)低功耗操作。

內核頻率調節會(huì )影響子系統操作的時(shí)序，因此PM能夠在完成頻率調節之后進(jìn)行時(shí)鐘調節。如果對應用來(lái)說(shuō)OS時(shí)鐘精度不重要，或者是用戶(hù)希望節省空間，則可以不使用PM功能

此外，當線(xiàn)程被阻斷時(shí)，用戶(hù)還可以激活或停用自動(dòng)使時(shí)鐘處于空閑狀態(tài)的PM功能。在其協(xié)調作用中，PM提供了一種用于功率事件通知的注冊功能，當特定功率管理事件發(fā)生時(shí)，客戶(hù)可以注冊通知，由于系統的復雜性，PM支持多個(gè)客戶(hù)端并允許客戶(hù)延遲事件的完成。

PM還提供了一個(gè)應用編程接口(API)庫，可實(shí)現芯片的低功率技術(shù)軟件控制。通過(guò)這些API，應用能夠門(mén)控時(shí)鐘，激活睡眠模式并安全管理V/F調節設置點(diǎn)之間的晶體管。這些設置點(diǎn)作為調節參數，使V/F能夠按照正確的順序降低和提高，而且具有正確操作所必需的設置時(shí)間。

下面圖3顯示了設置點(diǎn)是如何控制V/F調節的時(shí)序的。由于電壓和頻率調節對設計中所用的DSP和電壓調節器是特定的，PM API支持設置點(diǎn)延遲查詢(xún)和配置，同時(shí)PM庫可被重建。

圖3：功耗調節結果

工具的輔助開(kāi)發(fā)功能

要有效解決上述所有技術(shù)問(wèn)題，需要一些專(zhuān)門(mén)為功率管理而設計的工具。類(lèi)似于DSP工具開(kāi)發(fā)的其它領(lǐng)域，功率優(yōu)化工具也致力于提供可視化和易于使用的優(yōu)勢，以幫助簡(jiǎn)化系統分析并縮短上市時(shí)間。

這些工具結合DSP的嵌入式及RTOS功率管理技術(shù)，可以提供計量表、示波器波形、信道校準、測試代碼和事件觸發(fā)等等測試功能。利用這些便捷功能，設計人員可得到一個(gè)反饋機制，憑此評估各個(gè)實(shí)現方案對功耗的影響，最終獲得一個(gè)最佳方案。

圖4顯示了在設計周期中，集成的硬件和工具平臺，比如國家儀器有限公司(National Instruments)的C55x電源優(yōu)化DSP入門(mén)套件(DSK)，能夠如何以及在什么地方幫助開(kāi)發(fā)人員在不同的設計環(huán)境下評估DSP的功耗，從而使是他們能夠更迅速地選定最適合其系統的最佳低功耗/高性能總體方案。

圖4：功耗優(yōu)化流程

從一開(kāi)始就進(jìn)行功率設計

在系統開(kāi)發(fā)中，功率優(yōu)化有時(shí)被當作一項事后工作來(lái)處理，但這是不對的。在開(kāi)發(fā)周期中，越早考慮功率優(yōu)化問(wèn)題越好，對于具有多個(gè)應用和工作模式的復雜系統而言尤其如是。為了延長(cháng)電池工作時(shí)間，低功耗通常是主要的要求之一，即使是線(xiàn)路供電系統也需要通過(guò)降低耗電量來(lái)減少散熱和運行成本。

為了優(yōu)化功耗，設計人員需要了解系統的功率分布，以提供全面的參考信息源，從而在功率估算中把所有主要的系統功能都考慮在內?；诟吖β市实腃MOS工藝的DSP集成了硬件技術(shù)，比如精細定義的低功率模式和電壓/頻率調節。API使這些技術(shù)很容易通過(guò)RTOS實(shí)現應用控制，測試工具可幫助設計人員估算出不同實(shí)現方案的功耗。利用這些資源，開(kāi)發(fā)人員有充分的理由從開(kāi)發(fā)周期的最開(kāi)始就進(jìn)行功率設計。