滿(mǎn)足多媒體處理器需求的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)

　　有源電源管理

　　片上電源管理技術(shù)分為兩大類(lèi)，管理工作系統功耗與管理待機功耗。

　　有源電源管理分為三個(gè)領(lǐng)域：動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS)、自適應電壓調整 (AVS) 與動(dòng)態(tài)電源切換 (DPS)。靜態(tài)功耗管理需要確保閑置的系統在需要更高處理能力之前處于省電狀態(tài)，也就是采用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM) 技術(shù)，這種管理通常依賴(lài)于從待機到斷電的幾種低功耗模式。

　　我們先來(lái)看看主動(dòng)模式。利用 DVFS 技術(shù)，可根據應用的性能需求通過(guò)軟件來(lái)降低時(shí)鐘速度和電壓。例如，我們不妨設想一款集成了高級 RISC 微處理器 (ARM) 與數字信號處理器 (DSP) 的應用處理器。盡管 ARM 組件的運行速度可高達 600 MHz，但系統并不總是需要如此高的計算能力。通常，我們可通過(guò)軟件來(lái)選擇預定義的處理器工作性能點(diǎn) (OPP)，這時(shí)的電壓可確保處理器工作在可滿(mǎn)足系統處理性能要求的最低頻率上。為了適應不同應用，進(jìn)一步提高優(yōu)化功率的靈活性，我們還可為處理器中的互連與外設預定義另外一組器件內核 OPP。

　　軟件根據 OPP 需向外部穩壓器發(fā)送控制信號才能設置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個(gè)供電電壓 VDD1(DSP 與 ARM 處理器的供電電壓)與 VDD2(子系統與外設互連的供電電壓)，這兩個(gè)電壓軌提供了大部分芯片功率(通常在 75% 到 80% 之間)。在執行 MP3 解碼時(shí)，可將 DSP 處理器轉入低操作性能點(diǎn)，從而大幅減少功耗供處理其他任務(wù)之用，這時(shí)的 ARM 運行頻率高達 125 MHz。為了在最佳功耗情況下實(shí)現必需的功能性，我們可將 VDD1 降至 0.95 伏特，而不使用最高 1.35 伏特的電壓，以確保 600 MHz 的工作頻率。

　　自適應電壓縮放 (AVS) 作為第二種有源電源管理技術(shù)，是以芯片制造過(guò)程中以及器件運行生命周期中產(chǎn)生的差異為基礎的。該技術(shù)與所有處理器都采用相同預編程 OPP 的 DVFS 不同?？梢韵胍?jiàn)，就大多數已經(jīng)成熟的制造工藝而言，芯片的性能在既定頻率要求下要遵循一定的分布情況。部分器件(所謂的“熱”器件)相對于其他器件(所謂的“冷”器件)而言，能以較低的電壓實(shí)現給定的頻率，這就是 AVS 發(fā)揮作用的原理——處理器感應到自身的性能級別，并相應調整供電電壓。專(zhuān)用的片上 AVS 硬件可實(shí)施反饋環(huán)路，無(wú)需處理器干預即可動(dòng)態(tài)優(yōu)化電壓電平，以滿(mǎn)足進(jìn)程、溫度以及硅芯片衰減等造成的差異要求(圖 1)。

　　圖 1 給定處理器的典型性能分布。此處的“冷”器件工作在125 MHz的頻率時(shí)需要0.94伏特，而“熱”器件在該頻率下只需 0.83 伏特。自適應電壓縮放 (AVS) 技術(shù)采用反饋環(huán)路相應調節供電電壓，確保各器件運行在特定處理任務(wù)所需的頻率上

　　軟件可在工作中為每個(gè) OPP 設置 AVS 硬件，而控制算法則通過(guò) I2C 總線(xiàn)向外部穩壓器發(fā)送指令，以逐步降低適當穩壓器的輸出，直至處理器剛好超過(guò)目標頻率的要求為止。

　　例如，開(kāi)發(fā)人員可首先設計一個(gè)能滿(mǎn)足所有情況的電壓，在 125 MHz 頻率下為 0.95 伏特(在圖 1 中的 V1 上方)。但是，如果系統中插入了采用 AVS 技術(shù)的“熱”器件，那么片上反饋機制就會(huì )自動(dòng)將 ARM 的電壓降至 0.85 伏特或更低(圖 1 中的 V2 上方)。

　　前兩種有源電源管理技術(shù)可以最小的工作電壓讓器件的某部分工作在理想的速度上。相比之下，第三種方法 — 動(dòng)態(tài)功率切換 (DPS) 先確定器件何時(shí)可完成當前的計算任務(wù)，如果暫時(shí)不需要，則讓器件進(jìn)入低功耗待機狀態(tài)(圖 2)。例如，處理器在等待 DMA 傳輸完成過(guò)程中會(huì )進(jìn)入低功耗狀態(tài)。處理器在喚醒后幾微秒內就能返回正常工作狀態(tài)。

　　圖 2 動(dòng)態(tài)電源切換 (DPS) 在給定器件的某部分完成任務(wù)后使其進(jìn)入低功耗狀態(tài)

　　無(wú)源電源管理

　　雖然 DPS 可讓多媒體片上系統 (SoC) 的一部分進(jìn)入低功耗狀態(tài)，不過(guò)在有些情況下，我們可讓整個(gè)器件都進(jìn)入低功耗模式 — 在沒(méi)有應用運行時(shí)自動(dòng)或通過(guò)用戶(hù)請求進(jìn)入低功耗模式。要實(shí)現這一目的，我們可應用靜態(tài)漏電管理 (SLM) 技術(shù)，啟動(dòng)待機或器件關(guān)閉模式。這兩種模式一個(gè)關(guān)鍵的不同之處在于：在待機模式下，器件仍然占用著(zhù)內部存儲器和邏輯，而在器件關(guān)閉模式下，所有系統狀態(tài)都保存于外部存儲器中。利用 SLM 技術(shù)，喚醒時(shí)間大大快于冷啟動(dòng)速度，因為程序已經(jīng)載入到了外部存儲器，用戶(hù)無(wú)需等待操作系統 (OS) 完全重新啟動(dòng)。在采用 SLM 技術(shù)情況下，我們以媒體播放器為例，如果打開(kāi)十秒鐘后還沒(méi)有得到處理指令或用戶(hù)輸入，就會(huì )關(guān)閉顯示屏進(jìn)入待機或器件關(guān)閉模式。

　　例如，TI 采用 ARM Cortex-A8 內核的 OMAP35x 單芯片處理器器件就支持器件關(guān)閉模式，即器件可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。除了喚醒域之外，所有電源域均關(guān)閉，耗電的只有喚醒域與 I/O 漏電流。系統時(shí)鐘關(guān)閉，在此情況下，喚醒域的時(shí)鐘被單獨設為 32 kHz。此外，OMAP35x 還可自動(dòng)向外部穩壓器發(fā)送信號，穩壓器能夠在深度睡眠狀態(tài)下關(guān)閉。處理器內部不保存存儲器或邏輯。在進(jìn)器件關(guān)閉電模式前，系統狀態(tài)存儲在外部存儲器中。經(jīng)后喚醒復位后，微處理器單元 (MPU) 會(huì )啟動(dòng)用戶(hù)定義的功能，SDRAM 控制器配置從高速暫存存儲器 (SPM) 中恢復。

　　可滿(mǎn)足各種用途的技術(shù)

　　通過(guò)結合采用上述電源管理技術(shù)，我們可實(shí)現多種操作條件下的最佳功耗。如果系統忙于處理播放高分辨率視頻等便攜式播放器任務(wù)，那么可在 VDD1 上設置過(guò)壓 OPP。如果是功耗適中的 web 瀏覽，則可為 VDD1 與 VDD2 設置額定的 OPP。若是功耗較低的音樂(lè )欣賞，則可為 VDD1 與 VDD2 設置最低的 OPP。在上述所有情況下，我們都可啟動(dòng) AVS 來(lái)平衡“冷”“熱”器件的功耗差別。最后，如果用戶(hù)打開(kāi)媒體播放器但數小時(shí)或數天都不使用，其會(huì )通過(guò) SLM 技術(shù)自動(dòng)使器件進(jìn)入關(guān)閉模式。

　　為更好的理解采用上述技術(shù)所帶來(lái)的節能優(yōu)勢，需要將下列案例納入考慮范圍。在以下案例中，除有特別說(shuō)明，否則我們一概不采用 TI 的 AVS/SmartReflex 技術(shù)。在這些描述中，IVA 指影像、視頻以及音頻加速器子系統。

　　·案例一：器件關(guān)閉模式 — 0.590 mW。這是 TI OMAP 可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。在該模式下，整個(gè)器件除了喚醒域之外全部關(guān)閉，而喚醒域的工作頻率還不到 32 kHz。關(guān)閉不使用的穩壓器(VDD1 = VDD2 = 0)，自動(dòng)刷新 SDRAM，喚醒時(shí)特殊啟動(dòng)序列恢復 SDRAM 控制器和系統狀態(tài)。

　　·案例二：待機模式 — 7 mW。在該器件狀態(tài)下，僅喚醒域工作，所有其他非喚醒電源域都處于低功耗保存狀態(tài)(VDD1 = VDD2 = 0.9 伏特)。所有邏輯和存儲器將保留。AVS 關(guān)閉。

　　·案例三：音頻解碼 — 22 mW(不含 DPLL 與 IO 功耗)。雖然 ARM 工作在 125 MHz 頻率上，但僅設置 DMA 從多媒體卡讀取輸入數據，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。IVA 解碼 MP3 幀(44.1 kHz、128k bps 立體聲)，并將解碼數據發(fā)送到 SDRAM 的緩沖中。片上多通道緩沖串行端口發(fā)送數據到音頻編解碼器以用于回放。就系統配置而言，DSP 的工作頻率為 90 MHz，在無(wú)需處理周期時(shí)進(jìn)入低功耗模式以降低功耗。這時(shí)，VDD1 為 0.9伏特，VDD2 為 1伏特。

　　·案例四：音頻/視頻編碼 — 540 mW(不含 DPLL 與 IO功耗)。在該案例中，我們捕獲并對音頻進(jìn)行編碼(AACe+、48 kHz、32k bps 立體聲)，捕獲并編碼視頻(H.264 VGA 分辨率，每秒 20 幀，2.4 Mbsp)，音頻和視頻都保存，同時(shí)顯示視頻。在該配置下，ARM 工作頻率為 500 MHz，DSP 運行頻率為 360 MHz，VDD1 為 1.2伏特，VDD2 為 1.15伏特。此外，片上攝像子系統還可從外部傳感器捕獲視頻輸入，多通道緩沖串行端口捕獲音頻 PCM 輸入，IVA 執行音頻和視頻編碼，編碼數據存儲在多媒體卡中，而顯示子系統則使視頻循環(huán)，并將視頻發(fā)送至 LCD 與電視輸出接口。

　　實(shí)施電源管理

　　為了實(shí)現充分的電源管理靈活性，DSP 處理器采用片上電源復位與時(shí)鐘管理器 (PRCM)。OMAP3530 處理器的功能模塊分為 18 個(gè)電源域，每個(gè)電源域都擁有自己的開(kāi)關(guān)。PRCM 可開(kāi)關(guān)所有電源域，但許多電源域也可由用戶(hù)控制。此外，每個(gè)電源域都能根據邏輯與存儲器是否加電、以及時(shí)鐘是否處于工作狀態(tài)而進(jìn)入四種狀態(tài)之一：工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)、保持或關(guān)閉。

　　就 ARM 與 DSP 器件而言，上述狀態(tài)通常需要輔助穩壓器。市場(chǎng)上的許多穩壓器都可滿(mǎn)足上述要求，當然還需滿(mǎn)足處理器的電壓、電流、功率轉換速率規范以及功率上升下降排序要求等。為了在 ARM 與 DSP 處理器上執行 DVFS 與 AVS操作，相關(guān)穩壓器必須支持 I2C 可編程性。在器件關(guān)閉模式下，電路系統必須能通過(guò)自動(dòng)發(fā)出的 I2C 命令或專(zhuān)門(mén)的 GPIO 信號打開(kāi)或關(guān)閉 VDD1 與 VDD2 穩壓器。如果采用 GPIO 信號，由于不存在 I2C 延遲，那么喚醒時(shí)間會(huì )更快些。為了減輕設計工程師的負擔，上述各功能的所有特性最好集成在單個(gè)器件中，從而大幅減少部件數(圖 3)。

　　圖 3 高級穩壓器芯片集成了多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器與低壓降線(xiàn)性穩壓器，因而可滿(mǎn)足 OMAP35x 處理器的電壓域要求