基于DSP應用系統中的低功耗設計

隨著(zhù)電池供電系統應用的日趨廣泛，許多系統特別是便攜式產(chǎn)品都面臨低功耗設計的問(wèn)題，以DSP為核心的應用系統當然也不例外。本文就TMS320系列定點(diǎn)DSP器件為例，介紹一些行之有效的降低功耗的設計方法。

一、合理選擇DSP器件

應根據系統要求來(lái)選擇合適的DSP器件。在典型的DSP應用系統中，通常其核心是由一片或多片DSP構成數據處理模塊，由于系統運算量大且速度要求高，因此DSP內部的部件開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉換十分頻繁，這使得DSP器件的功耗在應用系統的功耗中占有相當的比例，所以設計人員在進(jìn)行電路低功耗設計時(shí)要熟悉DSP及其相關(guān)產(chǎn)品的情況。DSP器件的功耗與該系統的電源電壓有關(guān)，同一系列的產(chǎn)品，其供電電壓也可能不同，如TMS320C2XX系列中供電電壓就有5V和3.3V兩種，在系統功耗是系統設計首要目標的情況下，應盡可能地選擇低電壓供電的DSP器件。選擇3.3V低電壓供電的DSP除了能減小DSP本身的功耗以降低系統的總功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這對實(shí)現系統低功耗有著(zhù)重要的作用。DSP生產(chǎn)廠(chǎng)家也比較注重系統功耗的問(wèn)題，德州儀器公司（TI）為實(shí)現低功耗應用系統而設計了一批新型的DSP器件，以其中的TMS320C55X為例， C55X可以在0.9V和0.05mW/MIPS環(huán)境下運行，傳輸速率可達800MIPS，其功耗相當于TI上一代芯片C54X功耗的15%左右，非常適合應用于電池供電系統。此外，TI公司還充分考慮 DSP電源供電設計的問(wèn)題，為支持DSP設計的TPS767D3XX將兩個(gè)1-A線(xiàn)性穩壓器和兩個(gè)上電復位開(kāi)關(guān)封裝在一起，它不僅降低組件數量和電路板大小，使系統的成本降低，對于系統降低功耗也有重要的作用。

TPS767D3XX在全部1-A輸出范圍內提供極快的瞬態(tài)響應、低壓差和幾乎恒定的低靜態(tài)電流（典型值為85μA），壓差在1A時(shí)的典型值為350mV?？梢哉f(shuō)，選擇何種器件基本上就決定了系統功耗的大小。

二、讓DSP以適當的速度運行

TMS320系列的DSP一般采用CMOS工藝，CMOS電路的靜態(tài)功耗極小，而其動(dòng)態(tài)功耗的大小與該電路改變邏輯狀態(tài)的頻率和速度密切相關(guān)。TMS320系列應用系統的功耗與工作頻率即系統時(shí)鐘（CLKOUT1）成正比。在不需要DSP的全部運算能力時(shí)，可以適當地降低TMS320的系統時(shí)鐘頻率令DSP適速運行以降低系統功耗。當時(shí)鐘頻率增加時(shí)，電流也相應地增加，執行同樣程序代碼的時(shí)間會(huì )相應縮短。例如，以1.2mA/MHz運行一段500個(gè)時(shí)鐘周期代碼，當CLKOUT1為10MHz時(shí)，DSP執行該段代碼用時(shí)50μs，所需電流為12mA；當CLKOUT1增加到20MHz時(shí)，所需電流增加到24mA，執行時(shí)間縮短為25μs。TMS320系列執行一段用戶(hù)程序所耗能量與器件執行快慢無(wú)關(guān)，因為該能量?jì)H僅取決于DSP器件內部邏輯狀態(tài)轉換的數目。如此看來(lái)，似乎DSP的功耗并未降低，那為什么不讓DSP全速運行呢？原來(lái)，DSP以全速運行完代碼后使用IDLE指令，進(jìn)入降功耗模式后，仍然是要消耗能量的。盡管DSP全速運行和適速運行該段代碼所耗電能是相同的，但是在前一種情況下，DSP在空閑狀態(tài)還要消耗能量，而后一種情況,將節省這部分的能量。因此，在實(shí)際應用系統中并不需要DSP的最高M(jìn)IPS運算能力時(shí)，適當降低系統的時(shí)鐘頻率能有效地降低系統功耗。

三、在軟件設計中降低功耗

CPU內部執行不同的指令時(shí)所消耗的電流是不同的，在軟件編程時(shí)如果能充分考慮到這一因素,在允許的情況下盡可能多使用低功耗指令，可以降低系統功耗。TMS320C55X有幾種降功耗模式，這些降功耗模式中最常用的是IDLE和IDLE2指令。IDLE指令將CPU內部操作掛起，但是仍保留內部各部件邏輯的時(shí)鐘，允許串口等片內外設繼續工作。在使用20MHz的系統時(shí)鐘時(shí),使用IDLE指令所需電流的典型值為10mA。在相同的系統時(shí)鐘下，執行IDLE2指令只需要3mA的電流；若關(guān)閉內部部件的輸入時(shí)鐘時(shí)執行IDLE2指令，這時(shí)電流值不超過(guò)5μA，CPU所消耗的電能將大大降低。

對諸如NOP（空操作）這類(lèi)簡(jiǎn)單的指令而言，使用RTP（重復指令）將節省約12mA的電流；但是對MACD（相乘、累加及數據塊移動(dòng)指令）這類(lèi)比較復雜而且所需電流較大的指令來(lái)說(shuō)，使用重復指令反而會(huì )增加大約14mA的電流，達到90mA，這個(gè)數值是在所有數據并行處理的時(shí)候得到的，這里的并行處理是指MACD的操作數存放在不同的數據塊中,對它們進(jìn)行操作的時(shí)候，兩塊數據將被同時(shí)選中。因此為了降低系統功耗，在軟件設計時(shí)應盡可能地將所要操作的數據存儲在同一個(gè)數據塊中，比如TMS320C209可將MACD的操作數一同存儲在其片內4K的SARAM中。

四、存儲器類(lèi)型對功耗的影響

前文已經(jīng)提到，在DSP器件按某一算法對數據進(jìn)行處理時(shí)，DSP片內的CPU將消耗大部分的能量。但是，數據處理所在的存儲環(huán)境也就是存儲器的類(lèi)型對系統功耗有著(zhù)較大的影響。以TMS320C2XX為例，片內的存儲器有單訪(fǎng)問(wèn)RAM(SARAM)，雙訪(fǎng)問(wèn)RAM(DARAM)和ROM三種，TMS320C206還有閃速存儲器。DSP應用系統可用片內的SARAM、DARAM、ROM或片外擴展的ROM來(lái)存儲用戶(hù)指令代碼，由于DARAM僅有256字節的容量，因此在一般情況下它被設置為數據RAM。在相同的條件下執行一段測試代碼，程序在片內的ROM運行要比在SARAM中運行節省10%的能量。這是因為SARAM不能存儲用戶(hù)代碼，斷電后程序丟失，它只能將程序從ROM中加載后運行。在將代碼用BLPD（從程序存儲器到數據存儲器的塊移動(dòng)）、TBLR（表讀）和RPT（重復下一條指令）等指令從程序區傳送到數據區的過(guò)程中要消耗部分能量，而在片內的ROM中運行代碼則可節省這部分能量。執行存放在片內存儲器的用戶(hù)代碼所耗能量要比執行存放在片外的存儲器低，其原因是程序在片內ROM中運行可省去驅動(dòng)外部程序存儲器接口電路所需要的電流。

五、正確處理外圍電路

外圍電路包括輸入和輸出兩部分。從輸出部分來(lái)看，外部電路的驅動(dòng)要消耗一部分能量，除在DSP系統中使用的邏輯電路采用CMOS器件外，應盡可能地選用低功耗的外圍器件，例如系統的顯示部分應選用LCD（液晶顯示器）等。當外部接口中邏輯電路所用的門(mén)電路較多時(shí)，應使用單片的PAL或ASIC來(lái)完成。從輸入部分來(lái)看，DSP芯片中未使用的輸入引腳應接地或接電源電壓，若將這些引腳懸空，在引腳上很容易積累電荷，產(chǎn)生較大的感應電動(dòng)勢，使輸入引腳電位處于0與1間的過(guò)渡區域。這時(shí)反相器上、下兩個(gè)場(chǎng)效應管都會(huì )導通，使系統功耗大大增加。

結束語(yǔ)

除前面所提影響DSP應用系統功耗的幾個(gè)因素以外，還有很多其他因素，比如DSP應用系統所處環(huán)境的溫度等。具體到任何一個(gè)實(shí)際的應用系統，在達到設計指標的前提下應細致地對硬件、軟件進(jìn)行多方面的優(yōu)化，從而有效地降低系統功耗。