如何通過(guò)雙處理器應用延長(cháng)電池壽命

　　在面臨必須延長(cháng)電池壽命的需求時(shí)，很多系統設計師認為單個(gè)芯片所消耗的功耗比兩個(gè)芯片要少。原因似乎很簡(jiǎn)單：芯片間通信比單個(gè)芯片工作消耗更多的功耗，兩個(gè)芯片上有更多的晶體管，因此要比有相同功能的單芯片有更多的漏電流。但功耗節省技術(shù)卻給這種傳統觀(guān)點(diǎn)迎頭一擊。

　　DSP設計師將更多的功能，如加速器、通信模塊和網(wǎng)絡(luò )外設集成到DSP芯片上，使芯片對工程師更為有用。但這種更強大的芯片在完成簡(jiǎn)單的內務(wù)管理或監控任務(wù)時(shí)，會(huì )消耗比該任務(wù)所需更多的功耗。在多種情況下，設計師無(wú)法只啟用DSP芯片中所需部分的功能。

　　在某些應用中，微控制器（MCU）可執行相同的系統監控任務(wù)，而比DSP消耗更少的功耗。所以，雙芯片的架構：DSP及MCU也是可行的。因此，使用一個(gè)低功耗DSP作為主處理器，另一個(gè)低功耗MCU作為系統監控器，就可延長(cháng)單個(gè)DSP完成相同任務(wù)所消耗的電池壽命。為了幫助節省功耗，工程師在選擇DSP時(shí)要考慮以下因素：

　　尋找較大容量的片上內存。DSP訪(fǎng)問(wèn)芯片外存儲器時(shí)總會(huì )消耗更多功耗。外部DRAM存儲需要恒定的功耗，這會(huì )消耗電池的電能。

　　選擇一個(gè)可啟動(dòng)和關(guān)閉外設的DSP。有一些DSP可對不活動(dòng)的片上外設自動(dòng)斷電，這種能力提供了多種級別的控制和功耗節省。

　　選擇一個(gè)在不同功耗級別能實(shí)現多種待機狀態(tài)的DSP。多電源可節省更多能耗。

　　選擇提供了能優(yōu)化功耗使用并降低功耗的開(kāi)發(fā)軟件的DSP。工具應讓開(kāi)發(fā)人員輕松地動(dòng)態(tài)改變芯片的電壓和頻率、管理電源狀態(tài)，幫助他們評估和分析功耗信息。

　　MCU消耗較少電流

　　在某些應用中的MCU中，低功耗的半導體工藝可降低晶體管漏電流，幫助芯片設計師優(yōu)化低功耗運行?？上У氖?，低功耗工藝會(huì )限制MCU性能。例如，一個(gè)Texas Instruments MSP430 MCU在待機模式下消耗500nA電流，最大時(shí)鐘頻率為16MHz。而TMS320C5506 DSP運行的最大時(shí)鐘頻率為108MHz，在待機模式下消耗10µA電流。這表明它消耗了比MSP430高出20倍的電流。

　　從以前的發(fā)展歷程上看，一直由軟件控制內部MCU外設，這表明CPU總保持活動(dòng)狀態(tài)。但新的中斷驅動(dòng)（interrupt-driven）外設只需要較少的軟件開(kāi)銷(xiāo)，允許MCU在多數時(shí)間保持待機模式。以?xún)炔磕缔D換器（ADC）硬件為例，它可自動(dòng)掃描輸入通道、觸發(fā)器轉換和執行DMA傳輸，來(lái)處理接收的數據采樣任務(wù)。結果，ADC幾乎是自發(fā)地運行，CPU只用很少的時(shí)間為其提供服務(wù)，MCU節省了功耗。

　　多時(shí)鐘降低功耗要求

　　MCU的時(shí)鐘系統設計還可幫助降低功耗。圖1中的電路圖顯示了由單個(gè)晶體運行的兩個(gè)時(shí)鐘。MCU通常使用一個(gè)32kHz晶體，但不一定會(huì )同時(shí)生成內部時(shí)鐘信號、系統時(shí)鐘（MCLK）和輔助時(shí)鐘（ACLK）信號。通常，晶體只生成ACLK信號。MCU的低功耗外設使用同時(shí)驅動(dòng)MCU實(shí)時(shí)時(shí)鐘的32kHz輔助時(shí)鐘，高速數字控制振蕩器（DCO）生成CPU和高速外設的系統時(shí)鐘信號。

　　DCO能以幾種方式生成時(shí)鐘信號，每種都有不同的性能和功耗特點(diǎn)。從低到高的功耗，這些時(shí)鐘模式有超低功耗振蕩器（VLO）、3kHz晶體到DCO。為了降低功耗，設計師在閑置模式下使用最低的時(shí)鐘（VLO或32kHz晶體），當應用需要CPU的活動(dòng)處理時(shí)，實(shí)現了高頻DCO。DCO可在不到1µs的時(shí)間內進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)并達到完全穩定。這種“即時(shí)啟用”的能力節省了時(shí)間和功耗。注意，在活動(dòng)處理過(guò)程中使用低頻率的低功耗時(shí)鐘會(huì )比切換到更快的時(shí)鐘下消耗更多的的功耗。在較高的功耗活動(dòng)模式下，低頻時(shí)鐘使CPU花費更多的時(shí)間在特定的任務(wù)上。

　　除了對某些外設使用低速時(shí)鐘節省功耗外，MSP430 MCU還提供了超低功耗振蕩器來(lái)生成ACLK信號。在其待機功耗運行模式（LPM3）下，在A(yíng)CLK運行和所有中斷啟用狀態(tài)下，MSP430 MCU通常消耗不到1 µA的電流。所以，低功耗的MCU在保持實(shí)時(shí)的時(shí)鐘或管理電池充電過(guò)程中比DSP消耗更少的功耗。而且，將這些任務(wù)交給MCU也可將DSP解脫出來(lái)，使其可執行其擅長(cháng)的的信號處理任務(wù)。

　　功耗節約卓有成效

　　工程師可看到雙處理器設計實(shí)現出色成效。試想有一依賴(lài)高端DSP來(lái)處理監控任務(wù)的系統。該處理器很快就會(huì )用盡一個(gè)2，500mAh的鎳氫AA電池。如果平均電流消耗為10mA，兩節串聯(lián)電池在10.5天內就會(huì )耗盡。雙處理器應用可將電流降低到1mA，使電池延長(cháng)到120天。

　　雙處理器系統中MCU為降低功耗，所能處理的某些系統或監控功能包括：

　　實(shí)時(shí)時(shí)鐘維護

　　電源排序

　　電源監控與重置

　　鍵盤(pán)或人機接口管理

　　電池管理

　　顯示器控制

　　管理DSP電源

　　許多DSP需要必須以固定的順序施加電源的多個(gè)電源“軌”，以保證DSP和外圍設備正常工作。通常，這些軌同時(shí)對核心（CPU）及DDR內存和I/O設備供電。盡管專(zhuān)用器件可通過(guò)固定的順序對DSP芯片施加電壓，但其不能執行其它功能。較小的低功耗MCU可對電源電壓進(jìn)行排序并監控，并執行電源控制任務(wù)（圖2）。在此例中，軟件以適當的順序啟動(dòng)三個(gè)電源穩壓器電路。MCU使用其內部ADC檢測各個(gè)電源軌何時(shí)達到適當的電壓。當總電路不需要DSP芯片時(shí)，MCU可以關(guān)閉穩壓器以關(guān)閉DSP。

　　實(shí)際上，MCU可直接與壓控制振蕩器通信來(lái)控制DSP的電壓和頻率，或與PLL通信控制DSP的時(shí)鐘頻率。因此，當DSP完成計算密集的任務(wù)時(shí)，MCU可調節時(shí)鐘將DSP轉為待機模式以節省功耗。

　　雙向監控允許MCU“檢測”DSP以了解其忙碌狀態(tài)。在此模式下，MCU作為智能控制器運行。另一方面，DSP可對MCU進(jìn)行讀寫(xiě)操作。所以DSP可根據應用的需要，通知MCU降低或提高DSP時(shí)鐘。

　　利用MCU完成DSP通常在單個(gè)處理器系統中實(shí)現的其它任務(wù)，設計師還可獲得更多的好處。例如，在處理鍵盤(pán)操作時(shí)，MCU比DSP消耗更少的功耗。MCU只在檢測到按鍵或釋放按鍵的動(dòng)作后，才發(fā)送中斷信號到DSP。這種方式有助于避免由擊鍵造成的過(guò)多電流消耗，該情況經(jīng)常出現在某些手持設備中。為了進(jìn)一步解脫DSP芯片的負荷，監控MCU可提供：

　　段式LCD的驅動(dòng)電路

　　標準SPI、UART和I2C端口

　　用于射頻通信外設的接口

　　電池管理電路

　　通用I/O端口

　　對上述及以前提到的其它每種外設，MCU都可從低功耗模式“自動(dòng)啟動(dòng)”。因此，MCU不會(huì )連續地輪詢(xún)外設來(lái)確定哪個(gè)需要服務(wù)，也不會(huì )消耗最大功耗來(lái)進(jìn)行該任務(wù)。外設會(huì )根據需要啟動(dòng)。

　　低功耗便攜應用中的每一個(gè)毫瓦都是十分寶貴的。最后，設計師必須根據對計算、測量和功能及運行DSP或MCU間的全面考慮，來(lái)確定在應用中是使用一個(gè)還是兩個(gè)處理器。