傳授壓箱絕技：從SoC設計人員那都了解不到的功耗管理問(wèn)題

當今的系統設計人員受益于芯片系統（SoC）設計人員在芯片級功耗管理上的巨大投入。但是對于實(shí)際能耗非常小的系統，系統設計團隊必須要知道，實(shí)際是怎樣進(jìn)行SoC功耗管理的。他們必須對整個(gè)系統進(jìn)行功耗規劃。他們必須針對最終用戶(hù)體驗到的系統使用模式建立精確的模型。這些都不是簡(jiǎn)單的任務(wù)，把所有這些方法合在一起也還不夠。系統設計人員必須要理解片內功耗管理過(guò)程以及系統其它部分之間的相互作用，或者，他們會(huì )發(fā)現，盡可能降低功耗會(huì )導致效率降低，甚至是嚴重的故障。

　　這些難題并不會(huì )隨時(shí)間變化而逐漸變得簡(jiǎn)單。芯片設計人員在提高能效方面嘗試了很多方法，提出了聽(tīng)起來(lái)非常激進(jìn)的想法。在今年的設計自動(dòng)化大會(huì )（DAC）的一次小組討論中，TI專(zhuān)家Clive Bittlestone說(shuō)：“有很多種方法，我們正在嘗試全部使用它們。芯片設計人員要盡可能降低功耗而忽略了回報，可能導致加重系統設計人員的工作。而對于節能，系統設計是一個(gè)新的前沿領(lǐng)域。Bittlestone承認：“在晶體管級，我們已經(jīng)達到了飽和。下一最關(guān)鍵的問(wèn)題是在系統級?！?/P>

　　SoC設計人員所做的工作

　　正如Bittlestone所建議的，SoC功耗管理技術(shù)所采用的方法一直在不斷增加。這包括一些很普通的方法，對管芯之外的任何東西都是透明的。但是，也有需要系統其它部分主動(dòng)參與的方法，有些對外部電路還會(huì )產(chǎn)生重要影響。

　　有幾種門(mén)級功耗管理方法，應用在IC設計流程中，對于系統設計人員而言是透明的。例如，對于基于單元設計的設計工具——至少一個(gè)FPGA品牌，可以在具有較大泄漏的高速單元和低泄漏電流慢速單元之間自動(dòng)進(jìn)行選擇。綜合工具可以分析邏輯，插入時(shí)鐘邏輯門(mén)，關(guān)斷任何寄存器的時(shí)鐘，使得在其工作周期中看不到明顯的數據變化。這類(lèi)方法能夠顯著(zhù)降低功耗，不需要來(lái)自系統其它部分的任何輸入，對性能也不會(huì )有任何影響。

　　其它方法則需要來(lái)自系統管理硬件或者軟件的大量幫助。一個(gè)例子是動(dòng)態(tài)電壓頻率調整（DVFS）。在DVFS中，軟件估算系統在某一模式下，模塊所需要的最佳性能。然后，軟件指導模塊——通常是CPU或者加速器，以足夠的時(shí)鐘頻率運行，滿(mǎn)足系統要求，而電壓則剛好滿(mǎn)足該頻率要求。同一原理更嚴格的方法是模塊級電源選通。在這個(gè)例子中，軟件確定目前還不需要模塊，切斷模塊的電源。

　　很顯然，這些方法需要系統軟件知道某一模式下系統的資源需求，例如 圖1 所示。這些知識要求兩類(lèi)很難獲得的信息：實(shí)際最終用戶(hù)將在系統中采用的使用模式，每一模式中的系統資源和性能要求。例如，用戶(hù)的智能電話(huà)要求蜂窩射頻和GPS接收器同時(shí)工作嗎？如果是，那么，GPS能夠進(jìn)入低功耗近似跟蹤模式，或者，它需要進(jìn)行恰當的實(shí)時(shí)糾正嗎？確定模塊在一定時(shí)間內需要以多快的速度運行——即使它可能會(huì )被關(guān)斷，這并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。

　　圖1.視頻/播放/錄像模式（頂部）、DVR回放模式（中間），以及空閑模式（底部）所需要的系統資源。

　　除了上面的信息，系統設計人員必須理解SoC各種功耗模式的延時(shí)和開(kāi)銷(xiāo)成本。相對而言，這可能需要很長(cháng)的時(shí)間來(lái)改變CPU的時(shí)鐘頻率，使其能夠保持狀態(tài)，關(guān)斷，然后重新恢復。系統中的其他器件能夠承受這些延時(shí)嗎？當系統空閑時(shí)，CPU內核能夠關(guān)斷嗎，或者需要電源失效以及喚醒等監控功能嗎？

　　對于專(zhuān)用標準產(chǎn)品和微控制器，一般在數據表中很好的記錄了序列和延時(shí)信息。不一定記錄狀態(tài)改變時(shí)的能耗成本。即使有記錄，并不是一直能夠掌握SoC中的哪些模塊在一定時(shí)間內工作在哪一級。

　　SoC規劃人員提醒說(shuō)：“這些芯片非常復雜。會(huì )有很多不同的功耗管理方法同時(shí)在工作。坦白的說(shuō)，對于芯片而言最重要的方法是保密的——我們并沒(méi)有記錄它們?！?/P>

　　只要您使用供應商的參考設計，按照其設計人員提供的方法進(jìn)行工作，那么，朋友之間最好保持一些秘密。但是，如