嵌入式系統的能耗動(dòng)態(tài)管理方案

　　一直以來(lái)，嵌入式處理器的低功耗是通過(guò)使用一些低功耗的空閑或睡眠模式來(lái)實(shí)現的?，F在，嵌入式處理器要承擔更復雜的工作，需要更高的性能。新的應用程序（如音頻和視頻播放以及游戲等）一般運行時(shí)間都相當長(cháng)，“運行時(shí)間”與“空閑時(shí)間”之比也上升得很快。傳統的電源管理技術(shù)在空閑時(shí)間中是非常有效的，但要在運行中節省電池能量就無(wú)能為力了。

　　此外，電源管理芯片制造商僅僅把注意力集中在供電的管理方面。情況一般是這樣的，嵌入式處理器供應商給出輸入／輸出功率要求，功率半導體供應商則爭相開(kāi)發(fā)出盡可能高效的滿(mǎn)足要求的 IC。然而，現在象開(kāi)關(guān)穩壓器這樣的電源管理 IC 效率已經(jīng)達到了 95% 的高峰。這迫使今天的電源 IC 供應商不僅要在價(jià)格上競爭，還要靠效率的每一點(diǎn)細微增長(cháng)進(jìn)行競爭。當前手機市場(chǎng)的發(fā)展趨勢顯示，這些傳統的方法已無(wú)法滿(mǎn)足業(yè)界對提升效率的需求。

　　盡管電池技術(shù)一直有穩定改進(jìn)，如更長(cháng)的壽命及更小的體積，但這種發(fā)展仍然無(wú)法趕上下一代設計快速增長(cháng)的功率需求。要在新產(chǎn)品中將電池壽命延長(cháng)到最終用戶(hù)可以接受的水平，普通的電源管理方法已經(jīng)不能勝任了。

　　工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢也加劇了電源管理的復雜性。過(guò)去，CMOS 晶體管在靜態(tài)時(shí)消耗功率很少，幾乎可以忽略不計。然而，隨著(zhù)速度和密度的增加，工藝尺寸在不斷縮小，靜態(tài)功耗也在增長(cháng)。根據估計，對于用 0.13 微米高速工藝實(shí)現的芯片，其靜態(tài)功耗要占總功耗的 15-20%。而且，隨著(zhù)工藝技術(shù)進(jìn)入 100 納米以下，靜態(tài)功耗將呈現指數式的增長(cháng)，并將在處理器總功耗中占據主要部分。

　　有一種方法可以協(xié)調高性能與低功耗之間的矛盾，這就是讓處理器根據當前的工作負載，運行在不同的性能等級上。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè) MPEG 視頻播放器需要的處理性能比 MP3 音頻播放器高一個(gè)數量級。因此，當播放 MP3 時(shí)，處理器可以運行在較低頻率上，而仍然能保證播放的高質(zhì)量。當時(shí)鐘頻率降低時(shí)，可以同時(shí)降低處理器的供電電壓，以達到節能的目的。

　　動(dòng)態(tài)電壓調整技術(shù) （DVS） 就利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即 CMOS 工藝處理器的峰值頻率與供電電壓成正比。圖 1 顯示了頻率與電壓的關(guān)系，其中的測試使用了一個(gè) ARM926EJ-S 處理器內核（0.18 微米工藝）?？梢钥吹睫D折點(diǎn)在大約 90 MHz，這是調整技術(shù)適用電壓范圍的一個(gè)限額。

　　以下是一個(gè) CMOS 電路的近似功率方程：

　　P = CVDD 2fc + VDDIQ其中：

　　· P 為供電電壓 VDD 消耗的功率。

　　· C（VDD）2fc 是源于切換的動(dòng)態(tài)功耗部分（C 是電容，fc 為頻率）。

　　· VDDIQ 是源于泄漏的靜態(tài)功耗部分（IQ 為泄漏電流）顯然，對一個(gè)給定負載，動(dòng)態(tài)功率的量值與供電電壓的平方成正比。

　　減少供電電壓并同時(shí)降低處理器的時(shí)鐘速度，功耗將會(huì )呈二次方的速度下降，代價(jià)是增加了運行時(shí)間。由于每次電池充電后其中儲存的能量是有限的，所以能量管理技術(shù)是唯一一種可以擴展電池使用壽命的方法。圖 2 顯示的是當頻率與電壓都從最高值下調時(shí)，等效的節能情況。因為電壓的下降不可能超過(guò)某一個(gè)最低限，所以即使把頻率降低到曲度以下也不能產(chǎn)生更多的節能效果。因此，能量管理技術(shù)也存在一個(gè)適用頻率范圍，在這個(gè)范圍內的電壓升降才是有效的（本例中約為 90-170 MHz）。

　　圖2 計算出ARM926EJ-S處理器節能與頻率關(guān)系圖

　　電壓控制和頻率控制的要求圖 3 比較了兩種電源管理方法的效果，一種使用動(dòng)態(tài)電壓調整法（DVS），另一種是普通的門(mén)控電源管理方法。DVS 方法能顯著(zhù)降低整體功耗。

　　一般來(lái)說(shuō)，處理器運行得都太快了。例如，從 QoS 觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，如果軟件只需要在一秒鐘內顯示完 30 幀視頻圖像，則處理器在半秒內就完成所有解碼是沒(méi)有意義的。提前完成任務(wù)的做法使能量利用效率較低。

　　取得性能與節能平衡的關(guān)鍵在于使用智能軟件，它可以把處理器的性能降低到正好滿(mǎn)足應用軟件需求底線(xiàn)的水平。這種軟件應該包括“性能設定”算法，由該算法來(lái)確定處理器運行的最佳性能級別，并且管理象 DVS 這樣的性能調整技術(shù)。

　　現有的 DVS 系統使用的是開(kāi)環(huán)控制技術(shù)，CPU 的特性是通過(guò)給定時(shí)鐘速度和電壓下的工作量來(lái)確定的，并留有足夠的余量來(lái)適應溫度、供電和晶圓工藝的變化。

　　嵌入式處理器被設計成能在寬廣的溫度范圍內工作和適應不同的硅工藝。因此，必須采用較高的安全裕度，才能在電源效率降低時(shí)確保足夠的安全工作范圍。隨著(zhù)供電電壓逐步轉向 1.2V 或更低，所需安全裕度的百分比也隨之增加，以覆蓋溫度及硅片工藝的各種變化。

　　CMOS 電路的速度會(huì )隨溫度的升高而減慢，這一效應必須算到供電電壓安全裕度里，雖然一般的工作溫度都是室溫。由于工藝技術(shù)的變數很多，如不同內核、不同晶圓、不同批量甚至不同代工廠(chǎng)都各不相同。為了保證高的產(chǎn)量，這些保護帶（guard-b ands）可以相當寬，從而對總體功耗有顯著(zhù)的影響。

　　可以用大量的特性來(lái)構建一個(gè)頻率與電壓對照表，以確保在所有工作條件下都能滿(mǎn)足性能要求。然后把一個(gè)確定的電壓／速度集合以硬編碼方式寫(xiě)到芯片中。在實(shí)際工作中，SoC 上定制的軟件驅動(dòng)通過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的硬件接口來(lái)設定所需電壓級別。在改變時(shí)鐘頻率前，必須通過(guò)一個(gè)定時(shí)器或其它方法來(lái)檢查穩定電壓狀態(tài)（VDD_OK）。

　　自適應電壓調整（AVS）方法是一種閉環(huán)控制技術(shù)，它比 DVS 有明顯的改進(jìn)。AVS 采用固有的對工藝與溫度變化的補償，簡(jiǎn)化了電壓調整的方法，不再需要頻率／電壓表。這種技術(shù)的實(shí)現需要與嵌入式處理器協(xié)同使用幾個(gè)硬件性能監控器，由它們接收從性能設定算法送來(lái)的更改性能級別的請求。這些性能監控器可以準確地監控內核內外的工藝與溫度變化情況，并且通過(guò)標準接口與外部的能量管理單元（EMU）進(jìn)行通信。

　　ARM國家半導體能量管理解決方案ARM公司一直在研究一種對性能調整硬件進(jìn)行智能控制的解決方案。美國國家半導體公司則一直在研究一種智能控制供電電壓、簡(jiǎn)化 DVS 方法以及通過(guò) AVS 減小安全裕度的解決方案。兩家公司現在已經(jīng)可以給電池供電設備的開(kāi)發(fā)商提供一種端到端的方案。

　　ARM 公司的 Intelligent Energy Manager（智能能量管理器，IEM）解決方案以一個(gè)軟件部件為中心，即 Intelligent Energy Management 軟件。IEM 軟件與運行在應用軟件下的操作系統（OS）相互銜接，使用從 OS 內部架構獲得的參數，通過(guò)正在運行的應用程序“指導” OS 的使用?？梢杂靡恍碗s的軟件算法來(lái)評價(jià)不同類(lèi)型的軟件活動(dòng)，然后產(chǎn)生一個(gè)對未來(lái)性能的預測。每個(gè)預測結果用一個(gè)評測棧來(lái)加總，以確定出一個(gè)總體的性能預測。

　　策略棧的工作情況顯示在圖 4 中。每個(gè)算法都把自己的預測作為一種性能級別 （PeRF.）送進(jìn)棧中，每個(gè)預測都有一個(gè)相關(guān)的指令指出當前預測的權重，如果信任水平為低則 IGNORE（放棄該預測），如果為高則 SET（指定該預測），SET_IFGT 表示如果該預測的信任水平在棧中為最高，則應該使用該水平。當系統中發(fā)生某特殊事件時(shí)，例如一次任務(wù)切換，則要從棧底開(kāi)始向上重新對不同的預測進(jìn)行評估，以導出一個(gè)唯一的總體性能預測。

　　與 IEM 軟件一起聯(lián)合工作的是 Intelligent Energy Controller（智能能量控制器，IEC）部件。IEC 是一個(gè) APB 外設，它可以快速地集成到任何基于 AMBA 規范的 SoC 設計中。IEC 使用精密計數器和定時(shí)器測出當前的系統性能水平，并將其送給軟件，以確保處理器的性能永遠能夠滿(mǎn)足軟件工作負荷的最低要求。它還將大部分軟件測量活動(dòng)下載給硬件，從而減少了處理器上 IEM 軟件的開(kāi)銷(xiāo)。

　　IEC 部件還提供一個(gè)對性能調整硬件的抽象。從軟件的角度看，當工作負載變化而且預測被修改時(shí)，才向 IEC 提交一個(gè)新的性能級別請求。這種性能級別的實(shí)現則用抽象方法對軟件進(jìn)行隱藏。ARM 的 IEM 軟件部件優(yōu)化功耗的性能設定算法是基于工作負荷的差異，與之類(lèi)似，國家半導體的PowerWise 技術(shù)也根據當時(shí)的環(huán)境狀況以及各器件間的工藝差異，通過(guò)調整運行參數來(lái)確保處理器不會(huì )在最差的情況下工作。

　　國家半導體用于自適應電壓調整或動(dòng)態(tài)電壓調整的 PowerWise 技術(shù)的核心是一個(gè)低門(mén)數、綜合的數字部件，名叫 Adaptive Power CONtroller（自適應功率控制器，APC）。APC 包括硬件性能監控器，它可以準確地監控處理器的功耗，跟蹤溫度以及不同器件工藝的變化。APC 與片外能量管理單元（EMU）的通信通過(guò)一個(gè)雙線(xiàn)、雙向總線(xiàn)進(jìn)行，這個(gè)總線(xiàn)叫 PowerWise 接口（PWI）。

　　圖 5 顯示了完整的端到端參考解決方案，它使用了 ARM 公司的 IEM 和 IEC 部件，以及國家半導體公司的 APC 和 EMU 部件。

　　由 ARM 的 IEM 預測出的總體性能級別通過(guò) IEM 硬件部分的抽象層傳送給 APC。APC 自適應地調整供電電壓，以覆蓋內核工藝和當時(shí)的運行條件，滿(mǎn)足特定的性能要求。

　　在設計時(shí) IEC 可以配置為連接到片上特別設計的時(shí)鐘管理單元（CMU）和 APC 部件。CMU 負責為處理器提供與所需性能級別相適應的時(shí)鐘頻率。APC 負責管理片外 EMU，為處理器內核提供能滿(mǎn)足所需性能級別的最低電壓，同時(shí)還要考慮當前內核工藝與溫度狀況。由 IEC 部件來(lái)協(xié)調管理時(shí)鐘頻率與電壓的變化，以保證任何時(shí)候兩者的組合都是有效的，并且不同性能級別之間的轉換要順利，而且在時(shí)鐘產(chǎn)生方案與外部 EMU 的限制下轉換要盡可能快。

　　能量管理的最大限度ARM 與國家半導體開(kāi)發(fā)出了這些先進(jìn)的能量管理解決方案，可 以協(xié)助 OEM 廠(chǎng)商實(shí)現他們的手持式電池供電產(chǎn)品的電池壽命最大化（電池壽命現在是最終用戶(hù)真正關(guān)心的幾個(gè)關(guān)鍵要素之一）。整個(gè)解決方案具有部件化的特性，這意味著(zhù)該技術(shù)可以自我調整去適應各種性能調整硬件，包括 DVS 和 AVS。IEM 預測軟件決定了處理器可以運行的最低性能級別，同時(shí)通過(guò) IEC 的幫助，也確保永遠不會(huì )低于軟件的最低界線(xiàn)。APC 用性能預測與外部 EMU 一起工作，使處理器運行在能保證應用軟件正確運行的最低電壓和頻率下。在已確定時(shí)鐘發(fā)生器、供電電壓動(dòng)態(tài)范圍，以及混合應用軟件可用余量等限制條件下，這一完整的解決方案能將處理器的功耗降低到最低程度。

　　ARM 智能能量管理技術(shù)可以用于降低一個(gè)嵌入式處理器的能量需求，最高可達75%。國家半導體公司的 PowerWise 技術(shù)可以減小安全裕度，并進(jìn)一步減少能耗，與開(kāi)環(huán)電壓控制方案相比，在室溫下使用 AVS 可以再節省 45% 的能耗。通過(guò)模擬工作與測試芯片顯示，結合使用 IEM 和 PowerWise 技術(shù)可以把智能手機和 PDA 這類(lèi)產(chǎn)品的總能耗降低 30%，這對增加電池壽命有相當大的好處，同時(shí)還可以減小產(chǎn)品體積或降低成本。

　　正如前面所說(shuō)，在一個(gè)典型設計中，處理器只是許多耗能部件中的一個(gè)。當 IEM 和 PowerWise 技術(shù)進(jìn)入實(shí)用時(shí)，預計它們將被用于在一片 SoC 中，用于控制其它器件。