DSP 系統電源管理技術(shù)

在便攜式應用中，低功耗是產(chǎn)品能否獨樹(shù)一幟的關(guān)鍵所在，其決定著(zhù)產(chǎn)品的尺寸大小與操作時(shí)間。舉例來(lái)說(shuō)，如果您在跨越大洋的飛行時(shí)選擇便攜式DVD播放器作為消遣，那么電池壽命將會(huì )成為您的首選標準之一。在本文中，我們將集中討論許多更為常用的基于軟件的技術(shù)。首先，我們從講解某些可用于嵌入式系統的電源管理技術(shù)開(kāi)始，并談?wù)勂湓趯?shí)時(shí)應用中會(huì )遇到的諸多難題。電源效率既由硬件設計與組件選擇決定，同時(shí)也由基于軟件的運行時(shí)電源管理技術(shù)決定。本文后半部分將集中展示如何將技術(shù)子集成到用于數字信號處理器 (DSP)的實(shí)時(shí)操作系統 (RTOS) 中，從而使應用開(kāi)發(fā)人員選擇出可滿(mǎn)足其應用要求的專(zhuān)用技術(shù)。我們將以德州儀器公司 (TI) 的 (TI) DSP/BIOS? 操作系統為作為實(shí)例，顯示運行時(shí)電源管理軟件技術(shù)的實(shí)施方法。

運行時(shí)電源管理技術(shù)

盡管我們討論的是某些可擴大標準多線(xiàn)程讀取操作系統 (OS) 的特定電源管理技術(shù)，但應當強調指出的是，采用搶先式 (preemptive) 的多線(xiàn)程讀取OS本身常常能夠實(shí)現顯著(zhù)的電源節約。不利用OS的實(shí)時(shí)應用常常要求應用周期性探詢(xún)接口以檢測事件。從電源角度看，這樣的效率是相當低的。使用OS可使應用能夠利用中斷驅動(dòng)模式，其中程序就會(huì )在需要的時(shí)候開(kāi)始執行，以響應外部事件。此外，當基于OS的應用沒(méi)有可做的事情時(shí)，其就會(huì )進(jìn)入空閑線(xiàn)程，這時(shí)則可啟動(dòng)低功率操作模式，以減少功耗。

但是，操作系統除了能簡(jiǎn)單地為DSP內核啟用空閑模式之外，其還需要提供復雜得多的電源管理支持。在實(shí)踐中，大量功率被周邊設備所消耗，可能是片上器件，也可能是外部設備，此外存儲器也會(huì )消耗大量功率。任何電源管理方法都應當具備管理外設功耗的支持，這是至關(guān)重要的。此外，電壓與功耗之間的平方關(guān)系意味著(zhù)，更高效的方法是在要求較低電壓的較低時(shí)鐘速率上執行代碼，而不是先以最高的時(shí)鐘速率執行而后再轉為空閑。我們將概括講解在操作系統中實(shí)施電源管理支持的眾多機遇：

系統上電行為：處理器及其片上外設一般均以最高時(shí)鐘速率全面上電啟動(dòng)。不可避免的是，有些資源的供電啟動(dòng)還尚不需要，或者根本就不會(huì )在應用過(guò)程中用到。舉例而言，MP3播放器就很少使用其USB端口與PC進(jìn)行通信。在啟動(dòng)時(shí)，操作系統必須為應用提供一種調節系統的機制，從而關(guān)閉不必要的電源消耗器件或使之處于空閑狀態(tài)。

空閑模式：CMOS電路中的有效功耗只有在當電路進(jìn)行時(shí)鐘計時(shí)的情況下才發(fā)生。通過(guò)關(guān)閉不需要的時(shí)鐘，可以消除不必要的有效功耗。在等待外部事件時(shí)，大多數DSP都融入了暫時(shí)終止CPU有效功耗的機制。CPU時(shí)鐘的"閑置"通常由"停止"或"閑置"指令觸發(fā)，其在應用或操作系統閑置時(shí)進(jìn)行調用。一些DSP進(jìn)行多個(gè)時(shí)鐘域分區，可以使這些域分別處于空閑狀態(tài)，以中止未使用模塊中的有效功耗。例如，在 TI 的TMS320C5510 DSP 中，可以有選擇性地使6個(gè)時(shí)鐘域閑置，其中包括CPU、高速緩存、DMA、外設時(shí)鐘、時(shí)鐘生成器，以及外部存儲器接口。

除了支持閑置DSP及其片上外設之外，操作系統還必須提供用于閑置外部周邊設備的機制。例如，一些編碼譯碼器具備可以被激活的內置低功率模式。我們面臨的一個(gè)挑戰是類(lèi)似看門(mén)狗定時(shí)器這樣的外設。通常情況下，看門(mén)狗定時(shí)器應根據預定義的時(shí)間間隔提供服務(wù)，以避免其激活。這樣，減緩或中止處理的電源管理技術(shù)就可能無(wú)意中導致應用故障。因此，該OS應當使應用在睡眠模式期間禁用此類(lèi)外設。

斷電：盡管空閑模式消除了有效功耗，但靜態(tài)功耗即便在電路不進(jìn)行切換的情況下也會(huì )出現，這主要是由于逆向偏壓泄漏 (reverse-bias leakage) 造成的。如果系統包括的某個(gè)模塊不必隨時(shí)供電，那么我們就可以通過(guò)讓操作系統僅在需要時(shí)才為子系統上電，從而減少功耗。到目前為止，嵌入式系統開(kāi)發(fā)商對最小化靜態(tài)功耗投入的工作極少，因為CMOS電路的靜態(tài)功耗非常低。但是，新型、具有更高性能的晶體管使電流泄漏顯著(zhù)增加，這就要求我們對可降低靜態(tài)功耗及更復雜的睡眠模式給予新的關(guān)注。

電壓與頻率縮放 (frequency scaling) 有效功耗與切換頻率成線(xiàn)性比例，但與電源電壓成平方比。以較低的頻率運行應用與在全時(shí)鐘頻率上運行該應用并轉入閑置相比，談不上節約了多少功率。但是，如果頻率與平臺上可用的更低操作電壓兼容的話(huà)，那么我們就可能通過(guò)降低電壓來(lái)實(shí)現顯著(zhù)的節約，這正是由于上述平方關(guān)系的緣故。這也使人們就如何通過(guò)電壓縮放來(lái)節約功率進(jìn)行了大量的學(xué)術(shù)研究。

盡管電壓縮放是一種潛在的、非常誘人的、降低功耗的方法，但在現實(shí)世界的應用中我們對其加以利用時(shí)應當小心。這是由于我們需要完全了解該系統是否仍能滿(mǎn)足它的實(shí)時(shí)最后期限。降低電壓（進(jìn)而降低 CPU 頻率）將改變給定任務(wù)的執行時(shí)間，從而有可能導致人物錯過(guò)實(shí)時(shí)最后期限。即便新頻率與最后期限兼容，但如果開(kāi)關(guān)頻率及電壓的等待時(shí)間太長(cháng)，還是會(huì )出現問(wèn)題。影響等待時(shí)間的因素包括如下：

• 對穩壓器進(jìn)行再編程所需時(shí)間
  
• DSP 能否在電壓更改期間繼續執行其他任何代碼
  
• 需要對外設進(jìn)行再編程，如串行端口或外部存儲器接口，與接收不同始終來(lái)源的周邊外設相接。例如，CPU 時(shí)鐘速率降低可能要求減少訪(fǎng)問(wèn)外部存儲器的等待狀態(tài)數量。
  
• 對用于生成操作系統時(shí)鐘報時(shí)信號的計時(shí)器進(jìn)行再編程的可能性，將影響操作系統時(shí)基的絕對正確性。

盡管電壓縮放實(shí)際等待時(shí)間會(huì )根據所選 DSP 以及需要再編程外設的數量而不同，但在許多系統中，等待時(shí)間僅為幾百微秒甚至幾毫秒。在許多實(shí)時(shí)應用中，這將使電壓縮放不切實(shí)際。盡管存在上述弱點(diǎn)，但僅在某些可事先預見(jiàn)的模式下，那些需要完全處理功率的應用，還是有可能利用電壓縮放的。例如，便攜式音樂(lè )播放機可利用 DSP 進(jìn)行 MP3 譯碼及用戶(hù)接口要求的一般控制處理。如果僅 MP3 譯碼要求完全時(shí)鐘速率，那么 DSP 便可在執行用戶(hù)接口功能時(shí)降低其電壓，而僅在音樂(lè )數據開(kāi)始流向 DSP 時(shí)才以完全功率工作。

在 DSP RTOS 中實(shí)施電源管理

上述電源管理技術(shù)的一個(gè)子集已包括在DSP 的 RTOS 中。為了更好地說(shuō)明如何將電源管理構建到 RTOS 中，我們將更詳細地對實(shí)施進(jìn)行總體討論。

正如我們在前面討論中看到的那樣，特定系統減小功耗的方法主要取決于應用的性質(zhì)以及DSP 和周邊外設提供的選項。因此，關(guān)鍵的設計目標就是高效性及靈活性。盡管下面所描述的實(shí)施是就特定 RTOS 而言的，但其概念可簡(jiǎn)單地運用其它操作系統，甚至用于無(wú)操作系統的應用環(huán)境。

電源管理器 (PWRM) 的要求

首款電源管理器實(shí)施的關(guān)鍵要求如下：

1. 電源管理動(dòng)作是應用觸發(fā)而不是操作系統觸發(fā)的。更改 DSP 操作模式或功能的主要決策由應用作出，并由PWRM調用推動(dòng)執行。但操作系統可以（也應當）自動(dòng)采取行動(dòng)以節電，只要該行動(dòng)不影響應用即可。例如，PWRM 應當在 CPU 閑置時(shí)自動(dòng)閑置 CPU 時(shí)鐘。
   
2. 電源管理動(dòng)作由應用的控制部分觸發(fā)，但應當對大部分應用代碼均為透明的。例如，具有極高價(jià)值的、優(yōu)化的 DSP 算法不必重寫(xiě)便可在管理的電源環(huán)境中工作。
   
3. 電源管理器必須支持電壓與頻率 (V/F) 縮放，還必須充分利用芯片閑置與睡眠模式。
   
4. 電源管理器必須協(xié)調整個(gè)應用過(guò)程中的電源事件處理（如應用代碼、驅動(dòng)器以及操作系統本身），并在特定事件發(fā)生時(shí)向已注冊要求獲得通知的客戶(hù)發(fā)出通知。
   
5. 電源管理特性必須在任何線(xiàn)程環(huán)境中可用，還必須對特定客戶(hù)的多個(gè)實(shí)例可用（如一個(gè)編碼譯碼器驅動(dòng)器的多個(gè)實(shí)例）。
   
6. 在向客戶(hù)發(fā)出電源事件通知時(shí)，電源管理器必須支持事件處理的延遲完成，并在等待延遲客戶(hù)的完成信號同時(shí)通知其他客戶(hù)。
   
7. 電源管理器必須對具有不同功能的不同平臺是可擴展的和便攜性的。

電源管理模塊 (PWRM)

稱(chēng)作 PWRM 的電源管理器作為 DSP/BIOS 的一個(gè)附屬模塊被添加，如圖1所示。

從概念上說(shuō)，電源管理器與內核并行；其并非系統中的另一項任務(wù)，而是作為一系列在應用控制線(xiàn)程以及器件驅動(dòng)器環(huán)境中執行的 API 而存在的。無(wú)需進(jìn)行內核修改便可合并到 PWRM 中；但在 CPU 時(shí)鐘與操作系統計時(shí)器時(shí)鐘相聯(lián)結的平臺上，DSP/BIOS 時(shí)鐘模塊(CLK) 要進(jìn)行補充例行程序，以使其根據頻率縮放事件調整操作系統時(shí)鐘（作為 PWRM 的客戶(hù)）。PWRM寫(xiě)入并讀取時(shí)鐘空閑配置寄存器，并通過(guò)控制 CPU 時(shí)鐘速率及穩壓電路的針對不同平臺的功率擴展庫 (PSL) 直接與DSP硬件相連接。PSL 將 PWRM 及應用的其他部分與頻率及電壓控制硬件的低級實(shí)施細節相隔離。

電源管理器的作用在于管理 DSP/BIOS 應用中所有與電源相關(guān)的事項，既有應用開(kāi)發(fā)人員靜態(tài)配置的，也有在運行時(shí)動(dòng)態(tài)調用的：

• 電源管理操作的靜態(tài)配置。PWRM 支持 DSP/BIOS 配置工具為一些電源管理操作提供設計時(shí)選項。例如，開(kāi)發(fā)人員可配置閑置功能，插入 DSP/BIOS 閑置環(huán)路中，以自動(dòng)閑置 DSP 緩存及 CPU；或配置節電功能，在導入時(shí)自動(dòng)調用，以便閑置不必要的外設或子系統。
  
• 電源管理 API：PWRM 提供了 API，使開(kāi)發(fā)人員能夠閑置特定的時(shí)鐘域，以調用定制睡眠模式，并動(dòng)態(tài)更改 DSP CPU 的操作電壓及頻率。憑借新型API系列，應用還可指定是否應將電壓與頻率同時(shí)縮放，是否可在電壓降低轉換過(guò)程中繼續執行，以及V/F 設置點(diǎn)屬性及等待時(shí)間的查詢(xún)。
  
• 電源事件的注冊和通知：為協(xié)調整個(gè)應用過(guò)程中的 V/F 縮放、睡眠模式以及其他電源事件，PWRM 引入了新的注冊及通知機制，使處理電源事件（如"將更改 V/F 設置點(diǎn)"、"已更改 V/F 設置點(diǎn)"、"將進(jìn)入睡眠模式"、"退出睡眠模式"、"電源故障"等）的實(shí)體（如應用代碼、外設驅動(dòng)器、打包的內容以及操作系統時(shí)鐘模塊等）能夠就其處理的特定電源事件進(jìn)行注冊以獲得有關(guān)通知。

PWRM 帶給 DSP/BIOS 的關(guān)鍵特性是"中央注冊系統 (central registry)"，使處理電源事件的代碼可就其需要獲得通知的特定電源事件進(jìn)行注冊，以獲得有關(guān)通知，并能夠在其不再需要通知時(shí)不進(jìn)行注冊。圖2顯示了注冊與通知概念：

圖2 電源事件通知概念

在該例中，客戶(hù)注冊并獲得關(guān)于特定 V/F 電源縮放事件通知。圖中編號列出的步驟為：

1. 應用代碼進(jìn)行注冊，以獲得 V/F 設置點(diǎn)更改通知。例如，DSP 就不同的設置點(diǎn)要求不同的外部存儲器接口 (EMIF) 設置，因此應用寄存器便可控制電源管理器 (PWRM) 代碼，進(jìn)而 EMIF 設置則可隨著(zhù)設置點(diǎn)的更改而改變。作為注冊的一部分，應用代碼在事件發(fā)生時(shí)告知：PWRM 要調用的特定的通知功能；作為通知一部分傳遞的針對不同客戶(hù)的參數；以及控件代碼能夠操作的 V/F 設置點(diǎn)（從而使 PWRM 不會(huì )試圖啟動(dòng)無(wú)支持的設置點(diǎn)更改）。
   
2. 采用串行端口及DMA 傳輸數據寄存器的 DSP/BIOS 編碼譯碼器驅動(dòng)器將獲得 V/F 設置點(diǎn)更改通知。 在該應用中，在較低 V/F 設置點(diǎn)上沒(méi)有 MP3 譯碼發(fā)生。因此在沒(méi)有執行 MP3 回放時(shí)，驅動(dòng)器可閑置串行端口以及 DMA 時(shí)鐘域，并設置外部編碼譯碼器為低功率模式。
   
3. 與此類(lèi)似，文件系統管理器也注冊到 PWRM，以便獲得設置點(diǎn)更改的通知，因為其管理著(zhù)存儲媒體。
   
4. 應用決定更改 V/F 設置點(diǎn)（如 MP3 播放器模式的更改），并調用PWRM API以啟動(dòng)設置點(diǎn)更改。
   
5. PWRM 確認新的設置點(diǎn)就所有已注冊客戶(hù)啟用，并隨后將待進(jìn)行的設置點(diǎn)更改通知給所有已注冊的客戶(hù)。
   
6. PWRM 向 PSL 發(fā)出調用，以更改電壓及頻率設置點(diǎn)。為了安全地更改 V/F 設置點(diǎn)，PSL 將適當寫(xiě)入時(shí)鐘生成及電壓穩壓硬件。
   
7. 在設置點(diǎn)更改后，PWRM 將通知客戶(hù)設置點(diǎn)已發(fā)生更改。

電源管理器的配置

DSP/BIO 實(shí)現了內核對象的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)創(chuàng )建。例如，任務(wù)在設計時(shí)利用圖形配置工具可靜態(tài)創(chuàng )建，也可在運行時(shí)通過(guò) TSK_create() API 調用動(dòng)態(tài)創(chuàng )建。電源管理器的許多配置參數涉及到設計時(shí)間決策；因此電源管理的靜態(tài)配置被添加至 DSP/BIOS 圖形配置工具使用的配置文件。以下電源管理器參數是可靜態(tài)配置的：

1. 電源管理器啟用／禁用
   
2. 應用是否需要在導入時(shí)調用特定的用戶(hù)功能以減小功耗
   
3. 應用是否需要就頻率縮放事件對 BIOS 時(shí)鐘進(jìn)行再編程
   
4. 應用是否需要在 CPU 空閑時(shí)自動(dòng)閑置時(shí)鐘域
   
5. 電壓與頻率縮放啟用／禁用
   
6. 導入時(shí)CPU頻率值
   
7. 導入時(shí)CPU電壓值
   
8. 電壓縮放啟用／禁用
   
9. 應用是否需要在電壓下降時(shí)等待
   
10. 應用是否需要在 DSP 進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)時(shí)閑置時(shí)鐘域
    
11. 哪些中斷可將 DSP 退出深度睡眠模式

圖 3 所示的屏幕截面圖反映了配置過(guò)程，顯示了電源管理器一般屬性的配置列表。

圖3、配置電源管理器一般屬性

除了電源管理器靜態(tài)配置屬性之外，以下屬性是在運行時(shí)通過(guò)導出的電源管理器 API 動(dòng)態(tài)再配置的：

1. 當 CPU 空閑時(shí)，時(shí)鐘域自動(dòng)處于空閑狀態(tài)
   
2. 與頻率一起啟用電壓縮放
   
3. 在電壓降低時(shí)等待

總結

在實(shí)時(shí)嵌入式系統中可部署一些設計及運行時(shí)電源管理技術(shù)。一般來(lái)說(shuō)，有些技術(shù)對廣泛系列的系統均是適用的，而另外一些技術(shù)則只適用于專(zhuān)門(mén)的應用。例如，顯示了某些技術(shù)如何被整合到 DSP/BIOS RTOS 系統中，同時(shí)應用開(kāi)發(fā)商還能夠就其應用的要求選擇合適的技術(shù)。