如何善用動(dòng)態(tài)電源管理提高多媒體處理器能效

多媒體處理器通常是便攜式電子設備中功耗最高的器件。降低 CPU 功耗要求的常見(jiàn)方法是降低時(shí)鐘頻率或工作電壓，但是一般而言這樣做會(huì )使系統性能降低。另一方面，芯片設計人員還提出了各種片上方法來(lái)降低功耗，并且不會(huì )對系統產(chǎn)生不利影響。本文介紹了這些方法的概念，以及我們如何運用它們實(shí)現節能的目的，同時(shí)還討論了幫助處理器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源 IC。

有源電源管理

片上電源管理技術(shù)主要適用于兩類(lèi)應用：管理有源系統功耗和管理待機功耗。

有源電源管理分為三個(gè)部分：動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS);自適應電壓縮放 (AVS);以及動(dòng)態(tài)電源轉換 (DPS)。另一方面，靜態(tài)功耗管理包括在需要進(jìn)行更多處理以前將空閑系統維持在一種低功耗狀態(tài)。這種電源管理使用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其通常利用從待機到關(guān)機的數種低功耗模式。

讓我們來(lái)看一下有源模式。利用 DVFS，根據應用所要求的不同性能，時(shí)鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如，一款包括了先進(jìn) RISC 機器 (ARM) 和數字信號處理器 (DSP) 的應用處理器，即使 ARM 組件可以運行在高達 600 MHz 的時(shí)鐘頻率下，但卻并非總是需要所有這些計算能力。一般而言，軟件會(huì )選擇數個(gè)預定義處理器工作性能點(diǎn) (OPP)，其包括確保處理器能夠運行在滿(mǎn)足系統處理要求的最低頻率下的電壓。在對滿(mǎn)足不同應用要求的功耗進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，為了獲得更大的靈活性，人們?yōu)樘幚砥髦械幕ミB和外設預定義了一個(gè)單獨的器件內核 OPP 集。

與給定的 OPP 相對應，軟件向外部穩壓器發(fā)出控制信號來(lái)設置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個(gè)電壓源 VDD1(為 DSP 和 ARM 處理器供電)和 VDD2(為子系統和外設之間的互連供電)，同時(shí)這些電源軌提供芯片所需的大部分電量(一般約為全部所需電量的 75% 到 80%)。通過(guò)將 DSP 處理器轉入一個(gè) ARM 可以高達 125MHz 時(shí)鐘頻率運行的低工作性能點(diǎn)完成對 MP3 解碼的同時(shí)，還可以有許多剩余電力用于完成其他任務(wù)。為了獲得具有理想功耗的這種功能性，我們可以把 VDD1 降至 0.95V，而非保證 600 MHz 運行的 1.35V 最高電壓。

第二種有源電源管理技術(shù)即自適應電壓縮放 (AVS) 基于芯片制造和器件工作壽命期間出現的各種變化。這種技術(shù)是相對于 DVFS 的，DVFS 中所有處理器均具有相同的預編程 OPP。正如人們認為的那樣，在大多數現有制造工藝中規定頻率要求的芯片性能符合一種充分定義的電源分配。相比許多“冷”器件，一些器件(即“熱”器件)可以在較低的電壓下達到規定頻率。此時(shí)，AVS 便可以發(fā)揮作用了—處理器檢測其自有性能水平，并相應地調節各電壓源。專(zhuān)用片上 AVS 硬件可實(shí)施一個(gè)反饋環(huán)路，其并不要求處理器介入，從而動(dòng)態(tài)地優(yōu)化電壓電平來(lái)應對處理結果、溫度和硅芯片性能降低中的變化(請參見(jiàn)圖 1)。

圖1

圖 1 顯示了特定處理器的典型性能分布情況。其中，“冷”器件要求 0.94V 電壓以實(shí)現 125 MHz 的運行，而“熱”器件則只需要 0.83 V 就可實(shí)現相同頻率的運行。自適應電壓縮放 (AVS) 使用一個(gè)可相應調節電源電壓的反饋環(huán)路，這樣單個(gè)器件便可以完成特定處理任務(wù)所需的頻率運行了。

運行中，軟件為每一個(gè) OPP 安排 AVS 硬件，同時(shí)控制算法通過(guò)一條 I2C 總線(xiàn)向外部穩壓器發(fā)送命令，逐步遞增降低相應穩壓器的輸出，直到該處理器剛好超出目標頻率要求為止。

例如，開(kāi)發(fā)人員可以在一個(gè)適合于所有情況的電壓下并以 0.95V 的 125 MHz 頻率為目標開(kāi)始進(jìn)行設計(上面圖 1 所示的 V1)。但是，如果一個(gè)使用 AVS 的“熱”器件被插入該系統，那么該片上反饋機制就會(huì )自動(dòng)地將電壓降至 ARM，即 0.85V 或更低(上面圖 1 所示的 V2)。

前兩種有源電源管理方法可獲得理想速度下運行器件局部所需的最低工作電壓。相比之下，第三種方法動(dòng)態(tài)電源轉換 (DPS) 可確定器件何時(shí)完成其當前計算任務(wù)，如果當前并不需要，則將器件切換到低功耗狀態(tài)(請參見(jiàn)圖 2)。例如，在等待 DMA 傳輸完成時(shí)，處理器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。喚醒時(shí)，處理器可以在數微秒時(shí)間內迅速返回到正常狀態(tài)。

圖2 動(dòng)態(tài)電源轉換 (DPS) 將完成任務(wù)后的特定器件的相應部分切換至低功耗狀態(tài)。

無(wú)源電源管理

DPS 只能將多媒體片上系統 (SoC) 的某一部分切換至低功耗狀態(tài)，而在許多情況下將整個(gè)器件都切換至低功耗狀態(tài)是頗具現實(shí)意義的(無(wú)論是無(wú)應用程序運行時(shí)自動(dòng)切換，還是根據用戶(hù)要求切換)。為了達到這一目標，我們可以運用了靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其被用于啟動(dòng)待機或關(guān)機模式。一個(gè)關(guān)鍵的區別在于，在待機模式下該器件可維持內部存儲器和邏輯電路的狀態(tài)，而在關(guān)機模式下所有系統狀態(tài)均被存入外部存儲器中。利用 SLM 后，喚醒時(shí)間比冷啟動(dòng)要短得多，因為程序已經(jīng)被加載到外部存儲器，并且用戶(hù)不必等待整個(gè)操作系統 (OS) 重新啟動(dòng)。媒體播放器可能會(huì )是運用 SLM 的一個(gè)例子：在沒(méi)有處理任務(wù)也沒(méi)有用戶(hù)輸入的狀態(tài)下持續 10 秒鐘后，媒體播放器便關(guān)閉顯示器，并進(jìn)入待機或關(guān)機模式。

例如，具有 ARM Cortex-A8 內核的 TI OMAP35x 單芯片處理器器件便可實(shí)施關(guān)機模式—器件可自動(dòng)喚醒的一種最低功耗模式。除喚醒域外，所有功耗域均處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣，僅在喚醒域中有一定的功耗，并且所消耗電量來(lái)自于 I/O 漏電流。系統時(shí)鐘被關(guān)閉的情況下，喚醒域以 32 kHz 獨立運行。OMAP35x 還會(huì )自動(dòng)將信號發(fā)送給外部穩壓器，隨后穩壓器在這種深度睡眠狀態(tài)下被關(guān)閉。處理器中的存儲器或邏輯電路并未被維持。在進(jìn)入關(guān)機模式之前，系統狀態(tài)被存入外部存儲器中;一次喚醒后復位以后，微處理器單元 (MPU) 跳至用戶(hù)定義功能，SDRAM 控制器配置從暫時(shí)存儲器中得到恢復。

通用技術(shù)

將前面所述電源管理技術(shù)結合起來(lái)使用，我們便能以一種最佳的方法來(lái)處理各種運行情況。當便攜式多媒體播放器的系統活動(dòng)級別較高時(shí)，例如：觀(guān)看高分辨率視頻等，則可以在 VDD1 上設置過(guò)度驅動(dòng) OPP;對于要求中等水平功耗的網(wǎng)頁(yè)瀏覽而言，此時(shí)可為 VDD1 和 VDD2 設置正常的 OPP;聽(tīng)音樂(lè )的功耗要求相對較低，可為 VDD1 和 VDD2 設置最低的 OPP。所有這些例子中，都可以激活 AVS 來(lái)降低“熱”器件和“冷”器件之間的功耗差異。最后，如果用戶(hù)保持媒體播放器開(kāi)啟閑置數小時(shí)或幾天時(shí)間，則可以使用 SLM 來(lái)自動(dòng)地將該設備轉入關(guān)機模式。

為了更好地理解運用這些特性所帶來(lái)的節能效果，請看下列幾種情況。除特別注明外，下列例子均未使用 TI 的 AVS/SmartReflex 技術(shù)。在這些描述中，IVA 是指影像、視頻以及音頻加速器或子系統。

第 1 種情況：關(guān)機模式—0. 590 mW。這是一種最低功耗模式，TI 的 OMAP 3 可從該模式中自動(dòng)喚醒。在這種模式下，整個(gè)器件(喚醒域除外)均處于關(guān)閉狀態(tài)，喚醒域以低于 32 kHz 的頻率運行。閑置穩壓器被關(guān)閉(VDD1 = VDD2 = 0)，SDRAM 自刷新，并且在喚醒時(shí)特定啟動(dòng)順序會(huì )恢復 SDRAM 控制器和系統狀態(tài)。

第 2 種情況：待機模式—7 mW。這種器件狀態(tài)下，喚醒域處于運行狀態(tài)，而其他所有非喚醒功耗域則處于低功耗維持狀態(tài)(VDD1 = VDD2 = 0.9V)。所有邏輯電路和存儲器得以維持。AVS 處于關(guān)閉狀態(tài)。

第 3 種情況：音頻解碼—22 mW(不包括 DPLL 和 IO 功耗)。盡管 ARM 以 125 MHz 運行，但是在其進(jìn)入睡眠模式后 ARM 僅允許 DMA 從多媒體卡讀取輸入數據。IVA 對 MP3 幀(44.1 kHz、128k bps 立體聲)進(jìn)行解碼，并將解碼后的數據發(fā)送至位于 SDRAM 中的緩沖器。一個(gè)片上多通道緩存串行端口將數據發(fā)送給音頻編解碼器進(jìn)行回放。至于系統配置，DSP 以 90 MHz 運行，并且在無(wú)需為處理提供循環(huán) (cycle) 時(shí)轉入低功耗狀態(tài)以達到節能的目的。此時(shí)，VDD1 = 0.9V，而 VDD2 = 1V。

第 4 種情況：音頻/視頻編碼—540 mW(不包括 DPLL 和 IO 功耗)。在這種情況下，采集音頻并對其進(jìn)行編碼(48 kHz 的 AACe+，32k bps 立體聲)，采集視頻并對其進(jìn)行編碼(20 幀/秒的 H.264 VGA 分辨率，2.4 Mbsp)，并且對二者進(jìn)行了存儲。與此同時(shí)，視頻被顯示出來(lái)。這種配置中，ARM 以 500 MHz 運行，DSP 以 360 MHz 運行，VDD1 = 1.2V，而 VDD2=1.15V。一個(gè)片上攝像頭子系統也會(huì )對來(lái)自外部傳感器的視頻輸入進(jìn)行采集，多通道緩存串行端口對音頻 PCM 輸入進(jìn)行采集，IVA 對視頻和音頻進(jìn)行編碼，編碼后的數據被存儲至多媒體卡中，而顯示子系統則對視頻進(jìn)行旋轉處理，并將其發(fā)送至 LCD 和 TV 輸出接口。

實(shí)施電源管理

為了實(shí)現電源管理的廣泛靈活性，DSP 處理器利用一個(gè)片上電源復位和時(shí)鐘管理器 (PRCM)。OMAP3530 處理器將其功能塊分為 18 個(gè)電源域，每一個(gè)域均有其自己的開(kāi)關(guān)。PRCM 可對所有電源域進(jìn)行開(kāi)關(guān)，但是它們中的許多仍然由用戶(hù)來(lái)控制。另外，每一個(gè)電源域都可以被切換到四種狀態(tài)的任何一種，具體取決于電力是否施加于邏輯電路和存儲器，以及時(shí)鐘是激活還是未激活：激活、未激活、維持或關(guān)閉。

這些狀態(tài)要求和備用穩壓器配合，而一些基于 ARM 和 DSP 的器件一般都需要這種穩壓器。市場(chǎng)上許多穩壓器都可以完成這一工作;當然，這些穩壓器必須要滿(mǎn)足處理器的電壓、電流和電源轉換速率等規范要求，同時(shí)還要能夠滿(mǎn)足上電/斷電定序要求。為了實(shí)現 DVFS 和 AVS 在基于 ARM 和 DSP 的處理器上運行，相關(guān)的穩壓器還必須要具有 I2C 可編程性。在關(guān)機模式下，電路必須能夠利用自動(dòng)發(fā)出的或由專(zhuān)用 GPIO 信號發(fā)出的 I2C 命令對 VDD1 和 VDD2 穩壓器進(jìn)行開(kāi)關(guān)。第二種選項的喚醒時(shí)間更短一些，因為其沒(méi)有 I2C 延遲。為了減輕設計工程師的負擔，最好將這些獨立功能的所有特性置于單個(gè)器件中，這樣可以極大地減少組件數量(請參見(jiàn)圖 3)。

圖 3 高級穩壓器芯片整合了多個(gè)單獨開(kāi)關(guān)穩壓器和低壓降線(xiàn)性穩壓器，可滿(mǎn)足 OMAP35x 處理器處理各種電壓域的要求。