影響高性能DSP功耗的因素及其優(yōu)化方法

隨著(zhù)嵌入式應用需求的不斷提高，DSP的速度也不斷提高?，F在常見(jiàn)的高性能DSP速度已達到1GHz，TI的TMS320C6455最高速度已達到1.2GHz。然而，DSP的功耗也隨著(zhù)DSP的速度提升而快速增加。DSP功耗越來(lái)越成為DSP工程師關(guān)注的重要問(wèn)題。

另外，1.2GHz目前幾乎是DSP速度的上限，主要原因還是功耗的限制。更高速度DSP所帶來(lái)的高功耗的負面影響已超過(guò)了其在性能方面帶來(lái)的好處?；谶@個(gè)原因，現在普遍采用的提高DSP性能的技術(shù)是在單芯片內集成更多的核，而不是單純提高單核的運行速度。
　　
影響DSP功耗的因素

數字電路的功耗不外乎兩種：一種是動(dòng)態(tài)功耗，消耗于邏輯的轉換；另一種是靜態(tài)功耗，由于CMOS晶體管存在的各種泄漏造成。對于較老的DSP，或者說(shuō)基于大于130nm工藝的DSP，靜態(tài)功耗可以忽略不計；但隨著(zhù)工藝不斷精微，靜態(tài)功耗所占的比例越來(lái)越大。對于最新的基于65nm工藝的DSP，靜態(tài)功耗所占的比例達到50%左右。

靜態(tài)功耗



另外，靜態(tài)功耗也受DSP工作溫度的影響，隨著(zhù)工作溫度上升，靜態(tài)功耗呈指數級上升，這使得靜態(tài)功耗在總功耗中所占的比例進(jìn)一步提高。另外，值得注意的是，溫度升高會(huì )增加功耗，而功耗增加又使芯片溫度進(jìn)一步升高，溫度和功耗這種互相助長(cháng)的特性使得DSP散熱系統的設計顯得更為重要。
　　
動(dòng)態(tài)功耗

當門(mén)發(fā)生邏輯狀態(tài)轉換并產(chǎn)生內部結點(diǎn)充電所需的開(kāi)關(guān)電流以及P通道及N通道同時(shí)暫態(tài)開(kāi)啟引起直通電流時(shí)，就會(huì )出現動(dòng)態(tài)功耗。通過(guò)以下公式可以估算其近似值：
　　
P=Cpd? F? Vcc2
　　
其中，Cpd為動(dòng)態(tài)電容，F為開(kāi)關(guān)頻率，Vcc為電源電壓。上述關(guān)系中包含兩個(gè)重要概念：動(dòng)態(tài)功耗與開(kāi)關(guān)頻率呈線(xiàn)性關(guān)系，與電源電壓呈二次關(guān)系。圖1列出了TMS320C6455在不同工作頻率下的典型功耗。

另外，最大安全開(kāi)關(guān)頻率往往取決于電源電壓，所以這兩者是相互關(guān)聯(lián)的。以TMS320C6455為例，當工作頻率小于或等于850MHz時(shí)，其要求的核電壓為1.2V；而當工作頻率大于850MHz時(shí)，其核電壓必須為1.25V。

DSP功耗優(yōu)化方法

靜態(tài)功耗主要取決于芯片的設計和工藝。而實(shí)際應用中可采取的主要優(yōu)化方法是控制溫度。常見(jiàn)的散熱方法包括散熱片和風(fēng)扇。對于高功耗DSP，散熱片是低成本而且有效的散熱方式；而風(fēng)扇的使用則需要仔細考慮更多的因素，如風(fēng)扇的尺寸，位置，成本及可靠性等等。

優(yōu)化動(dòng)態(tài)功耗的方法則比較多。在不影響系統性能的前提下，通過(guò)降低電壓和頻率就可能大大降低動(dòng)態(tài)功耗。不過(guò)，降低CPU時(shí)鐘速率也會(huì )成比例地延長(cháng)執行該任務(wù)集的時(shí)間，因此必須仔細分析應用以確保滿(mǎn)足其實(shí)時(shí)需求。

電壓的調節需要特殊的可配置電源的支持，這可能會(huì )增加系統的成本；頻率的調節則可利用DSP內部自帶的可編程PLL來(lái)實(shí)現，配置不同的倍頻系數即可得到不同的頻率。為了實(shí)現電壓/頻率的調節，DSP上的軟件需要實(shí)時(shí)監控DSP的負載，根據負載選擇功耗最小而又能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)處理要求的電壓/頻率配置。

在DSP電壓/頻率一定的情況下，DSP動(dòng)態(tài)功耗還受DSP使用率的影響。通?？刹捎靡韵路椒▉?lái)降低DSP使用率。

1. 關(guān)閉不需要或暫時(shí)不使用的外設。例如，TMS320C6455 DSP上，所以的外設模塊的時(shí)鐘都可以通過(guò)軟件關(guān)閉或打開(kāi)。
2. 空閑時(shí)，將DSP置于低功耗或睡眠模式。例如，在TMS320C6455 DSP上可以通過(guò)執行IDLE指令來(lái)實(shí)現。處于IDLE狀態(tài)的DSP可被任何中斷事件喚醒。因此，在等待處理數據時(shí)，為了節省功耗，應避免采用查詢(xún)方式，而采用IDLE與中斷結合的方式。
3. 不訪(fǎng)問(wèn)存儲器時(shí)將其置于低功耗或睡眠模式。例如，TMS320C6455 DSP上，所有片內存儲器都可通過(guò)軟件使其處于低功耗模式，而任何對內存的訪(fǎng)問(wèn)又可使其自動(dòng)恢復到正常工作模式。外部擴展SDRAM也支持自刷新模式以節省功耗。

為了更進(jìn)一步降低DSP功耗，還有一些細節值得注意。

1. 充分利用Cache或其它技術(shù)減少存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。例如，TMS320C6455的SPLOOP Buffer和16-bit壓縮指令可以減少代碼的大小及訪(fǎng)問(wèn)頻率。訪(fǎng)問(wèn)外部擴展存儲器的功耗往往比訪(fǎng)問(wèn)內部存儲器高得多，盡量將頻繁訪(fǎng)問(wèn)的數據放在片內，以減少外部存儲器的訪(fǎng)問(wèn)。另外，外部SDRAM往往基于突發(fā)(Burst)的方式訪(fǎng)問(wèn)，即使你只需要一個(gè)字節，存儲器也可能會(huì )存取8個(gè)字，所以對SDRAM的要盡量采用連續大塊的訪(fǎng)問(wèn)方式。
2. 優(yōu)化軟件，減小程序大小從而減少存儲器的訪(fǎng)問(wèn)，減少代碼執行時(shí)間從而降低DSP使用率。
3. 某些不用的DSP管腳允許被懸空，但通過(guò)合適的上拉或下拉將其置于確定的電平可減少由于狀態(tài)不確定而導致的漏電流?！　?BR>4. 某些用于調試目地的信號管腳，如TMS320C6455的輸出時(shí)鐘，在調試完成后可將其關(guān)閉。