從應用層和后臺分析便攜式電子產(chǎn)品的節能技術(shù)

　　表：將工作模式映射到協(xié)議及硬件兩種模式。
　　
　　如果芯片的工作頻率低于其最高上限，很多時(shí)候可以調低工作電壓，并且數字邏輯電路仍有足夠的時(shí)序余量。只要因應頻率的轉變調節電壓，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。動(dòng)態(tài)電壓調節(DVS)功能基本上通過(guò)開(kāi)放環(huán)路控制系統實(shí)現，辦法是首先設定多個(gè)不同的頻率與電壓的固定組合，每當工作頻率有變，電壓便會(huì )根據與該頻率相配的電壓值做出相應修改。另一方面，自適應電壓調節(AVS)功能則通過(guò)閉環(huán)電壓控制系統實(shí)現，方法是利用片上傳感器決定最低可予接受的供電電壓，其優(yōu)點(diǎn)是比采用開(kāi)環(huán)的動(dòng)態(tài)電壓調節方式節省更多電能。
　　
　　CMOS 功耗是開(kāi)關(guān)(動(dòng)態(tài))功率及漏電功率的總和：
　　
　　P=PSWITCH+PLEAKAGE"C×VDD2Af+VDD×ILEAKAGE
　　
　　上述公式中：
　　
　　C 是數字系統的開(kāi)關(guān)電容，VDD是供電電壓，f是開(kāi)關(guān)時(shí)鐘頻率，A是開(kāi)關(guān)活動(dòng)因子，ILEAKAGE是漏電電流。
　　
　　動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)采用列表的方法，將不同的頻率與工作所需的供電電壓配對，顯示以某一頻率工作所需的供電電壓。每一時(shí)鐘頻率所需的供電電壓會(huì )因不同產(chǎn)品的不同要求而異，而且有關(guān)的電壓值必定設定為最糟糕情況下所需的電壓，以便滿(mǎn)足不同芯片工藝技術(shù)及不同系統工作溫度的要求。圖1顯示動(dòng)態(tài)電壓調節系統的結構框圖。換言之，頻率會(huì )調低，而供電電壓也會(huì )隨著(zhù)調低。由于上述有關(guān)功耗的公式之中的兩個(gè)可變項f及VDD2都減小，因此系統的功耗會(huì )大幅下降。當系統任務(wù)管理器確定工作頻率需要增加，功率管理單元將首先要求改變電壓，一段時(shí)間后時(shí)鐘發(fā)生器將切換到高的工作頻率。提高電壓所需的時(shí)間可以通過(guò)不同的途徑?jīng)Q定，例如可以由片上計時(shí)器(VDD_OK)決定，也可根據系統的功能要求或電源管理單元的狀態(tài)標記做出決定。但有一點(diǎn)需要注意，對于以最高頻率工作的固定電壓系統來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)電壓調節功能不會(huì )為系統帶來(lái)任何功耗的節省。
　　
　　AVS技術(shù)與開(kāi)環(huán)DVS技術(shù)不同，AVS技術(shù)設有反饋電路，讓片上硬件性能監控電路(HPM)可以為自適應電壓調節系統提供反饋信號。由于硬件性能監控電路設于微控制器之內，所采用的工藝技術(shù)與微控制器所用的完全相同，而且工作時(shí)處于與系統相同的溫度環(huán)境內，因此允許將電源電壓調節到器件能夠接受的實(shí)際極限。根據最接近系統真正需要的頻率調節供電電壓，而非為假設的最壞情況提供供電。
　　
　　圖2 顯示AVS實(shí)現的框圖。整個(gè)電路系統由以下4個(gè)功能模塊組成：硬件性能監控電路、先進(jìn)電源控制器(APC)、PowerWise接口(PWI)及電源管理單元(PMU)。PWI接口由ARM公司及美國國家半導體合作開(kāi)發(fā)，可為內置的先進(jìn)電源控制器提供一個(gè)標準的雙線(xiàn)控制接口，以便控制外接的PMU。由這幾個(gè)功能模塊組成的自適應電壓調節系統可以為工作在任何頻率、溫度或者硅工藝的器件提供最小的電源電壓。
　　
　　APC利用來(lái)自硬件性能監控電路的輸入信號來(lái)確定是否存在任何的電源電壓優(yōu)化方法。APC通過(guò)PWI將電壓調節指令傳送至PMU，而PMU便按照請求提供所需的供電電壓。HPM不斷監控工作在最新調節電壓下的芯片。如果能采用進(jìn)一步的優(yōu)化措施，APC會(huì )發(fā)出最新的電壓調節指令。電源必須按照APC的命令適時(shí)地調節其供電電壓，以便AVS控制系統的反饋環(huán)路能夠穩定。
　　
　　無(wú)論嵌入式計算系統以哪一頻率(包括最高頻率)工作，AVS技術(shù)都能獲得近乎最佳的工作功率。最大工作頻率下微控制器的電源電壓規范能確保系統在即使采用最差的硅工藝技術(shù)情況下，芯片也可在最高工作溫度環(huán)境下正常工作。但一般來(lái)說(shuō)真正的工作溫度都比規定的最高溫度低，而芯片的工藝技術(shù)一般都比最壞的情況好。在這樣的情況下，即使以最高頻率工作，仍有足夠空間將電壓進(jìn)一步調低。開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)則不具有這個(gè)特點(diǎn)，但AVS技術(shù)則可利用片上HPM的反饋來(lái)發(fā)現這種額外的性能，即使是在最高的工作頻率下，APC也能控制PMU將工作電壓調低。