淺析嵌入式DSP設(shè)計(jì)中的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的系統(tǒng)而言，優(yōu)化功耗是一項(xiàng)重要但往往難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。現(xiàn)在，基于DSP的設(shè)備常常把以往各自獨(dú)立的多個(gè)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，每一個(gè)應(yīng)用都可能有多個(gè)工作模式。要得到這樣一個(gè)設(shè)備的功率分布是非常困難的一件事，更遑論整個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員需要獲知盡可能多的最佳信息，以及能夠幫助他們優(yōu)化特定應(yīng)用之功耗的技術(shù)和工具。

幸運(yùn)的是，近年來(lái)，在DSP芯片的設(shè)計(jì)和制造工藝方面，都在不斷推出更先進(jìn)的功耗降低方法。現(xiàn)在的片上功率優(yōu)化技術(shù)能夠提供更多的精細(xì)控制和更多的省電模式，以及關(guān)于處理器功耗的更完整的信息。更新型的DSP開(kāi)發(fā)工具使設(shè)計(jì)人員得以更深入透徹地了解系統(tǒng)的功率消耗方式，并通過(guò)片上硬件來(lái)提供功耗降低技術(shù)。

為了讓開(kāi)發(fā)人員能夠更靈活地控制省電技術(shù)，更好地協(xié)調(diào)眾多片上功能間的低功率工作和時(shí)序問(wèn)題，DSP操作系統(tǒng)整合了多項(xiàng)功率管理功能。這些內(nèi)建功能及工具加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精心部署，DSP系統(tǒng)的功耗可得到大幅度降低。

低功耗問(wèn)題

低功耗對(duì)所有的DSP系統(tǒng)都很重要，雖然理由因具體應(yīng)用而異。在網(wǎng)格供電系統(tǒng)中，降低功率就意味著降低開(kāi)銷、提高可靠性，以及實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)，從而可以在相同的空間中集成更多的功能性，同時(shí)需要更少的風(fēng)扇和其它冷卻技術(shù)。在高清醫(yī)療成像等關(guān)鍵應(yīng)用產(chǎn)品中，器件工作產(chǎn)生的熱量甚至可能導(dǎo)致運(yùn)行故障，因此，低于設(shè)備最大額定值并增加對(duì)低功耗的要求是至關(guān)重要的。

在便攜式電子系統(tǒng)中，低功耗有助于盡量減小系統(tǒng)的尺寸及重量，同時(shí)把電池充電后的使用時(shí)間延至最長(zhǎng)。較小電池的使用可進(jìn)一步降低系統(tǒng)的規(guī)模。更低的功率還有助于避免便攜式系統(tǒng)在延時(shí)使用期間過(guò)熱。因功耗降低，手機(jī)、PDA、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)和視頻攝像機(jī)這些電子儀器及其他手持式設(shè)備的尺寸都日趨纖小，工作溫度越來(lái)越低，而充電后的使用時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)。

理解功率分布和芯片資源

在任何類型的系統(tǒng)中，降低功率的第一步是了解系統(tǒng)的使用方式，以及這種使用是如何影響功耗的。比如，手機(jī)大部分時(shí)間都處于等待呼叫的狀態(tài)中，實(shí)際通話的時(shí)間相當(dāng)少。另一方面，MP3播放器通常不是開(kāi)機(jī)處于激活運(yùn)行狀態(tài)，就是處于關(guān)斷狀態(tài)。其它系統(tǒng)、線路供電系統(tǒng)以及便攜式系統(tǒng)，都有著不同的待機(jī)功耗分布和激活工作功耗分布，參見(jiàn)下面的圖1。

圖1：工作功耗和待機(jī)功耗

了解功耗分布有助于設(shè)計(jì)人員選擇一個(gè)具功率效率的處理器，因?yàn)樵谀承╊愋偷膽?yīng)用中，DSP的基本CMOS技術(shù)可能對(duì)功耗產(chǎn)生很大的影響。先進(jìn)的CMOS工藝則基于工作電壓極低的高性能晶體管。根據(jù)既定應(yīng)用，可以量身定做晶體管，通過(guò)對(duì)靜態(tài)電流進(jìn)行鉗位把功耗降至最小，或把性能提高到最大，盡管這樣會(huì)稍微增加泄漏電流。專門為手機(jī)這樣的待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的DSP，可通過(guò)低泄漏晶體管把靜態(tài)電流降至最低，而為總是處于激活狀態(tài)的高性能應(yīng)用而設(shè)計(jì)的DSP則較青睞開(kāi)關(guān)速度更快的晶體管。

系統(tǒng)使用還包括系統(tǒng)對(duì)各種事件的響應(yīng)，以及電路接通電源時(shí)的延遲。初始上電時(shí)可能有一些延遲，而系統(tǒng)從待機(jī)模式被喚醒時(shí)，較小的延遲是可以接受的。但用戶一般都期望處于激活工作狀態(tài)的系統(tǒng)能夠即時(shí)響應(yīng)，故而這時(shí)片上功能不能處于深度睡眠模式。這里有兩方面的考慮：第一，部分功能可以較其它功能更徹底地關(guān)斷，尤其是在待機(jī)期間，激活工作期間也如此。第二，處理器的功率模式控制能力越精細(xì)，設(shè)計(jì)人員就越能夠進(jìn)行充分的功耗調(diào)節(jié)以適合系統(tǒng)的操作情況。

高功率效率的DSP芯片設(shè)計(jì)通過(guò)建立電源域，使應(yīng)用能夠切斷不在使用中的功能的時(shí)鐘輸入，從而把所有這些因素都考慮在內(nèi)了。正如處理內(nèi)核能夠進(jìn)入睡眠模式，此時(shí)它不執(zhí)行任何操作，直到被中斷信號(hào)喚醒，外設(shè)和存儲(chǔ)器模塊也同樣可以被置于睡眠模式，在需要時(shí)才被喚醒。無(wú)時(shí)鐘輸入功能中的晶體管除靜態(tài)電流之外，沒(méi)有什么功耗，而恢復(fù)時(shí)鐘所需的喚醒延遲被減至最小。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在考慮其產(chǎn)品的使用情況時(shí)，還需要考慮到在為各項(xiàng)功能提供時(shí)鐘方面，DSP能夠提供多少控制能力，或是否能夠自動(dòng)處理。

節(jié)能DSP內(nèi)建的另一項(xiàng)功能是能夠調(diào)節(jié)核心電壓和頻率。如果DSP可降低核心時(shí)鐘速率并仍然滿足其處理要求，則工作功耗會(huì)相應(yīng)地按比例節(jié)省。更低的頻率加上更低的工作電壓，可以節(jié)省相當(dāng)可觀的能量?？梢栽谙到y(tǒng)啟動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率以適于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，也可以在應(yīng)用需要改變時(shí)通過(guò)軟件對(duì)之予以動(dòng)態(tài)控制，這就為非峰值處理期間的功耗削減提供了一種重要的手段。

正確功率信息的獲得

復(fù)雜DSP系統(tǒng)可能具有多個(gè)內(nèi)核、應(yīng)用和管理模式，這使得對(duì)功率的估算極其困難。傳統(tǒng)的功率確定方法基于某些信息來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上注明的最大電流值，每周期或每條指令的耗電量（mA/MHz， mA/MIPS）以及測(cè)試案例等。

這些方法只能用來(lái)做粗略估算，但對(duì)內(nèi)核、外設(shè)和片上存儲(chǔ)器可以根據(jù)應(yīng)用和操作模式進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)而言，是不足以估算DSP功耗的。設(shè)計(jì)人員需要清楚了解實(shí)際應(yīng)用中片上各項(xiàng)功能的具體功耗，因?yàn)閷?shí)際的功率信息使他們能夠更加精確地估算出不同實(shí)現(xiàn)方案的結(jié)果，并測(cè)定出在不同平臺(tái)上應(yīng)用是如何影響功耗的。

在DSP制造方面，所需要的是模塊化的功率估算方案，即把設(shè)備劃分為若干子系統(tǒng)，然后獨(dú)立運(yùn)行每一個(gè)子系統(tǒng)。一旦確定了每一個(gè)片上功能的最大功率值和空閑功率值，就可以通過(guò)插值法為一個(gè)功能建立一條功耗曲線。于是，在明確了每一功能的運(yùn)行級(jí)別之后，可以把從各條曲線獲得的功率值累加，最后給出整個(gè)設(shè)備的實(shí)際功率估算值。

圖2是一個(gè)功率估算電子數(shù)據(jù)表，它把一個(gè)典型的DSP分解為若干個(gè)子系統(tǒng)，由用戶輸入相關(guān)參數(shù)，然后可以返回設(shè)備的功率估算值。就像這個(gè)電子數(shù)據(jù)表所顯示的，估算是否正確取決于用戶提供的信息是否反映出對(duì)系統(tǒng)使用方式的良好了解，包括數(shù)據(jù)寬度、頻率、電源電壓和使用中外設(shè)的可用帶寬的百分比等因素。

圖2：功耗估算

低功耗設(shè)計(jì)

具有功耗意識(shí)的設(shè)計(jì)（Power-conscious design）技術(shù)可以幫助DSP設(shè)計(jì)人員充分利用正確的功率估算。在系統(tǒng)級(jí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該精心選擇相關(guān)元件，使其數(shù)目盡可能地低。此外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該考慮到哪些未使用的元件可以置于省電模式，尤其是在待機(jī)期間。板級(jí)存儲(chǔ)器的使用也是一個(gè)功率消耗源，因?yàn)楸仨毻瑫r(shí)給存儲(chǔ)器芯片和電路板跡線供電。

應(yīng)用應(yīng)該盡可能地使用DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)器，以保持片上大帶寬存儲(chǔ)，把外部存儲(chǔ)器保留用作偶爾的低速存取。片外存儲(chǔ)器也可以很好地完成啟動(dòng)工作，但應(yīng)該在啟動(dòng)后被置于省電模式。為了減少存儲(chǔ)器中的代碼量和所取指令的數(shù)量，應(yīng)該優(yōu)化軟件提升性能。更緊湊的代碼有助于更好地利用緩存和內(nèi)部指令緩沖器，而且運(yùn)行速度更快，故能減少系統(tǒng)處于激活模式的時(shí)間。

大多數(shù)特定設(shè)備都是利用DSP的內(nèi)建硬件能力來(lái)降低功耗的。從一啟動(dòng)開(kāi)始，應(yīng)用設(shè)備就 可以讓不使用的模塊處于空閑狀態(tài)，外設(shè)功耗只限用于那些在指定時(shí)間才需要的I/O 。應(yīng)用通常在啟動(dòng)時(shí)就直接控制各個(gè)模塊，稍后，DSP內(nèi)核可以后臺(tái)執(zhí)行一個(gè)循環(huán)來(lái)檢測(cè)哪些功能不需要，然后把它們關(guān)斷。如果應(yīng)用采用了這些技術(shù)，芯片的睡眠模式就可以把空閑期間內(nèi)核及芯片的功耗降至最低。

若所要求的總體性能不等于設(shè)備的全部能力，則可以在啟動(dòng)時(shí)就對(duì)DSP內(nèi)核電壓和頻率（V/F）進(jìn)行調(diào)節(jié)。若系統(tǒng)在具有不同性能負(fù)載的應(yīng)用間更替，V/F調(diào)節(jié)也可以在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)V/F調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)必需提供DSP外部電源電壓控制，以及內(nèi)建于后臺(tái)循環(huán)程序的軟件控制。由于頻率調(diào)節(jié)減慢內(nèi)核的運(yùn)行速度，設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到相互關(guān)聯(lián)的各個(gè)操作間的時(shí)序問(wèn)題。

OS中的功率管理

不論是通過(guò)V/F調(diào)節(jié)還是通過(guò)低功耗模式來(lái)動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)的功率要求，都需要涉及到DSP的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。RTOS中的功率管理（PM）模塊能夠在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)功耗節(jié)省，并在整個(gè)系統(tǒng)上協(xié)調(diào)各個(gè)低功耗操作。

內(nèi)核頻率調(diào)節(jié)會(huì)影響子系統(tǒng)操作的時(shí)序，因此PM能夠在完成頻率調(diào)節(jié)之后進(jìn)行時(shí)鐘調(diào)節(jié)。如果對(duì)應(yīng)用來(lái)說(shuō)OS時(shí)鐘精度不重要，或者是用戶希望節(jié)省空間，則可以不使用PM功能

此外，當(dāng)線程被阻斷時(shí)，用戶還可以激活或停用自動(dòng)使時(shí)鐘處于空閑狀態(tài)的PM功能。在其協(xié)調(diào)作用中，PM提供了一種用于功率事件通知的注冊(cè)功能，當(dāng)特定功率管理事件發(fā)生時(shí)，客戶可以注冊(cè)通知，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，PM支持多個(gè)客戶端并允許客戶延遲事件的完成。

PM還提供了一個(gè)應(yīng)用編程接口（API）庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)芯片的低功率技術(shù)軟件控制。通過(guò)這些API，應(yīng)用能夠門控時(shí)鐘，激活睡眠模式并安全管理V/F調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)之間的晶體管。這些設(shè)置點(diǎn)作為調(diào)節(jié)參數(shù)，使V/F能夠按照正確的順序降低和提高，而且具有正確操作所必需的設(shè)置時(shí)間。

下面圖3顯示了設(shè)置點(diǎn)是如何控制V/F調(diào)節(jié)的時(shí)序的。由于電壓和頻率調(diào)節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)中所用的DSP和電壓調(diào)節(jié)器是特定的，PM API支持設(shè)置點(diǎn)延遲查詢和配置，同時(shí)PM庫(kù)可被重建。

圖3：功耗調(diào)節(jié)結(jié)果

工具的輔助開(kāi)發(fā)功能

要有效解決上述所有技術(shù)問(wèn)題，需要一些專門為功率管理而設(shè)計(jì)的工具。類似于DSP工具開(kāi)發(fā)的其它領(lǐng)域，功率優(yōu)化工具也致力于提供可視化和易于使用的優(yōu)勢(shì)，以幫助簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析并縮短上市時(shí)間。

這些工具結(jié)合DSP的嵌入式及RTOS功率管理技術(shù)，可以提供計(jì)量表、示波器波形、信道校準(zhǔn)、測(cè)試代碼和事件觸發(fā)等等測(cè)試功能。利用這些便捷功能，設(shè)計(jì)人員可得到一個(gè)反饋機(jī)制，憑此評(píng)估各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案對(duì)功耗的影響，最終獲得一個(gè)最佳方案。

圖4顯示了在設(shè)計(jì)周期中，集成的硬件和工具平臺(tái)，比如國(guó)家儀器有限公司（National Instruments）的C55x電源優(yōu)化DSP入門套件（DSK），能夠如何以及在什么地方幫助開(kāi)發(fā)人員在不同的設(shè)計(jì)環(huán)境下評(píng)估DSP的功耗，從而使是他們能夠更迅速地選定最適合其系統(tǒng)的最佳低功耗/高性能總體方案。

圖4：功耗優(yōu)化流程

從一開(kāi)始就進(jìn)行功率設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，功率優(yōu)化有時(shí)被當(dāng)作一項(xiàng)事后工作來(lái)處理，但這是不對(duì)的。在開(kāi)發(fā)周期中，越早考慮功率優(yōu)化問(wèn)題越好，對(duì)于具有多個(gè)應(yīng)用和工作模式的復(fù)雜系統(tǒng)而言尤其如是。為了延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，低功耗通常是主要的要求之一，即使是線路供電系統(tǒng)也需要通過(guò)降低耗電量來(lái)減少散熱和運(yùn)行成本。

為了優(yōu)化功耗，設(shè)計(jì)人員需要了解系統(tǒng)的功率分布，以提供全面的參考信息源，從而在功率估算中把所有主要的系統(tǒng)功能都考慮在內(nèi)?；诟吖β市实腃MOS工藝的DSP集成了硬件技術(shù)，比如精細(xì)定義的低功率模式和電壓/頻率調(diào)節(jié)。API使這些技術(shù)很容易通過(guò)RTOS實(shí)現(xiàn)應(yīng)用控制，測(cè)試工具可幫助設(shè)計(jì)人員估算出不同實(shí)現(xiàn)方案的功耗。利用這些資源，開(kāi)發(fā)人員有充分的理由從開(kāi)發(fā)周期的最開(kāi)始就進(jìn)行功率設(shè)計(jì)。