Portable Products為低功耗設計選擇理想的處理器

過(guò)去，選用低功耗CPU通常意味著(zhù)需要犧牲功能、降低時(shí)鐘運行速度，或需要等待新型低功耗技術(shù)的推出才能降低待機和工作功耗?，F在，這種情況已得到了徹底改觀(guān)，處理器產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。處理技術(shù)的不斷發(fā)展，創(chuàng )新型芯片設計和高精度電源管理軟件的不斷進(jìn)步，為設計人員帶來(lái)了全新的低功耗處理器系列產(chǎn)品，使設計人員再也不用犧牲系統設計性能。當然，沒(méi)有哪種產(chǎn)品是十全十美的，因此工程師必須認真考慮系統需求，分析不斷豐富的低功耗處理器產(chǎn)品，選出最能滿(mǎn)足其應用要求的解決方案。

本文對采用不同處理器架構的器件在功耗、性能、集成度、上市時(shí)間及價(jià)格等設計標準上的表現進(jìn)行了比較。了解處理器信息可實(shí)現兩大目標：一是幫助系統設計人員了解市場(chǎng)上最新的處理器類(lèi)型，其中有些可能對他們而言是相對不太熟悉的新產(chǎn)品；二是在可選產(chǎn)品日趨豐富的情況下，可進(jìn)一步幫他們縮小為既定設計選擇最佳芯片的范圍。 檢驗標準

表1即對采用不同低功耗處理架構的器件進(jìn)行了五方面的比較，包括：功耗、性能、集成度、上市時(shí)間及價(jià)格。這五個(gè)設計標準之間都是彼此密切相關(guān)的。例如，在芯片上集成多個(gè)內核、模擬特性、大容量存儲器或眾多外設等多種功能有助于降低系統總功耗與成本，并顯著(zhù)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。但是，這樣的高集成度在某種程度上又會(huì )增加功耗，并使編程更復雜，從而延長(cháng)產(chǎn)品上市時(shí)間。

功耗

對目前眾多設計而言，功耗是最重要的標準。在便攜式產(chǎn)品中，更長(cháng)的電池使用時(shí)間總是更容易獲得消費者青睞。在通信基礎設施應用中，功耗轉換越低，熱量耗散就越少，但散熱組件可能會(huì )限制通道密度及其它特性。此外，有些設計對功耗有嚴格限制，如采用USB供電的產(chǎn)品或使用汽車(chē)電池的車(chē)載配件，這種應用就限定僅能有幾毫瓦的運行功率。

設計師應該從系統的角度更好地認識功耗。片上外設的正確組合有助于進(jìn)一步降低總體系統功耗，這不僅是因為片外器件會(huì )消耗更多的功率，還因為在PCB板上的引線(xiàn)之間傳輸數據所消耗的電力要比在器件內部傳輸數據所消耗的電力多得多。

就單獨的器件而言，其能源效率取決于工藝技術(shù)的固有優(yōu)勢，不過(guò)高級處理器除了先進(jìn)工藝之外，還有眾多其它功能。功耗可分為兩大模式：一是工作功耗，也就是數據處理期間晶體管轉換與工作時(shí)的功耗；二是靜態(tài)功耗，即不進(jìn)行數據處理工作或工作受限以及各部件進(jìn)入休眠模式等時(shí)消耗的功耗。

工作狀態(tài)的電源管理可采用多種方案：

動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放(DVFS)：采用DVFS技術(shù)時(shí)，軟件指令可根據工作環(huán)境所需的性能降低時(shí)鐘速率與電壓。例如，盡管多媒體處理器ARM的運行速度可達600MHz，但并不是所有情況下都需要如此高的速率。軟件可在預定義的工作性能點(diǎn)上做出選擇，讓處理器以特定速率運行。

自適應電壓縮放(AVS)：芯片制造工藝會(huì )導致不同部件有著(zhù)不同的性能分布，可利用這一特點(diǎn)來(lái)實(shí)施AVS技術(shù)。也就是說(shuō)，在既定頻率要求下，有些所謂熱器件的產(chǎn)品可以較低電壓實(shí)現較高性能，而冷器件則做不到這一點(diǎn)。在此情況下，處理器能感測其自身的性能級別，并相應調節電壓，以對處理、溫度及芯片衰減等方面的變化進(jìn)行補償。

動(dòng)態(tài)電源轉換(DPS)：該技術(shù)可確定器件某個(gè)部分是否已完成其當前任務(wù)、目前是否還需要它繼續工作，以及何時(shí)可讓它進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

如果不進(jìn)行數據處理或處理工作受限時(shí)，選定部件便可進(jìn)入極低的功耗模式，系統等待喚醒事件，這時(shí)靜態(tài)電源管理就會(huì )啟動(dòng)。通過(guò)眾所周知的靜態(tài)漏電管理方案來(lái)實(shí)現靜態(tài)電源管理，可支持多種不同的低功耗模式，其中包括待機模式，以及關(guān)斷模式。低功耗靜態(tài)模式的選擇取決于存儲器的維持能力和／或其是否需要快速喚醒。

憑借上述特性，大多數低功耗處理器規定的待機功耗約為15mW，且峰值工作功耗低于
400mw。德州儀器公司推出的TMS320C55x等定點(diǎn)DSP的功耗更低，盡管集成了FFT協(xié)處理器，且存儲器容量達320kB，同時(shí)還支持I／O外設，但其待機功耗僅為0.5mW，峰值工作功耗為75mW。

表1中的大多數器件均實(shí)現了低功耗特性，在功耗等級方面評級為優(yōu)。表中列為良的產(chǎn)品性能較高，通常采用多個(gè)內核，因此功耗稍高。

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