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作者：Stuart Cording，德州儀器 (TI) 應(yīng)用工程師
Lori Vidra，TI eXpressDSP" title="DSP">DSP開發(fā)工具市場營銷經(jīng)理
許多電池供電的手持系統(tǒng)都要求具備數(shù)字信號處理功能，設(shè)計這種產(chǎn)品時，我們必須高度重視功耗問題" title="功耗問題">功耗問題。
選擇具備所有必需的計算能力且還能滿足設(shè)計功耗要求的DSP，使設(shè)計要么取得顯著成功，要么徹底失敗，設(shè)計小組不得不進行昂貴的再設(shè)計。
不過，大多數(shù)設(shè)計工程師已經(jīng)痛苦地了解到，傳統(tǒng) DSP 功耗估算方法最多也只能獲得近似值，因此我們需要用軟件來管理功耗并估算功耗的新技術(shù)。
數(shù)據(jù)表不夠用
以前，設(shè)計小組選擇處理器時首先要查看備選DSP的數(shù)據(jù)表。以 mA/MIP 或mA/MHz 為單位的測量值通常與芯片的最大 IDD 配套提供。幾乎所有數(shù)據(jù)表都提供上述信息。
上述數(shù)據(jù)的問題在于，功耗很大程度上取決于應(yīng)用本身，而數(shù)據(jù)表中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)往往不能完全符合實際應(yīng)用。
半導體公司認識到上述問題，通常只給出基本情況，供估算功耗數(shù)值參考。舉例來說，常見的 TI DSP 會給出以下工作情況：CPU 執(zhí)行 75% 雙 MAC 和 25% ADD，數(shù)據(jù)總線活動適中（正弦波形圖表）。CPU 及 CLKGEN (DPLL) 域處于工作狀態(tài)中。
除非設(shè)計小組的應(yīng)用情況與上述描述一致，否則數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)僅用于比較同一制造商推出的類似芯片。事實上，其他半導體公司很可能會在不同情況下測量功耗。
還有一些情況會使得數(shù)據(jù)表上的數(shù)據(jù)更加值得懷疑，這對那些面臨嚴格功耗限制的設(shè)計人員提出了更嚴峻的挑戰(zhàn)。
- DSP是復雜的芯片，其包括休眠模式和斷電模式等節(jié)電功能。上述功能會將單次估算中的誤差加以放大。
- 數(shù)據(jù)表未考慮到功耗實際上由兩部分組成：工作在內(nèi)核電壓源上的處理器和工作在 I/O 電源上的外設(shè)" title="外設(shè)">外設(shè)都涉及功耗問題。
- 設(shè)計小組希望用不同的實施方法和平臺比較功耗。
由于面臨上述挑戰(zhàn)，設(shè)計小組往往需要構(gòu)建原型板，并根據(jù)不同處理器、實施方法及平臺等因素對功耗加以估算。上述方法盡管要花很多時間而且成本不菲，但至少還能為我們提供比較精確的數(shù)據(jù)。
變量測量
我們對估算不同情況及實施方法下的功耗所用的方法已經(jīng)有了較好的了解。只有經(jīng)過細分，并根據(jù)實際測量得出的數(shù)據(jù)才會更加有用。具體過程通常如下：
- 將芯片分為子系統(tǒng)；
- 獨立執(zhí)行每個子系統(tǒng)；
- 用減法分析來確定每個子系統(tǒng)的功耗；
- 確定每個子系統(tǒng)的最大功耗及閑置功耗；
- 用內(nèi)插法估算子系統(tǒng)功耗；
- 最后用疊加法估算芯片功耗。
我們通常將經(jīng)測量得出的數(shù)據(jù)連同制造商給出的數(shù)據(jù)（如內(nèi)核電壓）制成電子數(shù)據(jù)表，并通過適當運算進行估算。如圖 1 所示，右側(cè)的灰白部分即為功耗估算結(jié)果。
圖1. 電子數(shù)據(jù)表有一定的用處，但仍不能反映實際情況。
這種方法與數(shù)據(jù)表值比較法相比盡管有一定改進，但仍需進一步完善。舉例來說，我們不妨假設(shè)主要用于過濾應(yīng)用的 DSP，其工作時間約占 20%，待機時間約占80%。
目前的 DSP 需要考慮到占空比問題，這有助于節(jié)電。舉例來說，芯片不工作時，電壓可降至待機數(shù)值。頻率在 CMOS 功耗中起主要作用，如果芯片不參與過濾工作，那么我們就能降低頻率。
電源優(yōu)化技術(shù)
TI 等半導體廠商努力推出芯片級電源控制技術(shù)。以前設(shè)計小組是無法應(yīng)用這種特性的。現(xiàn)在，設(shè)計人員能通過軟件發(fā)揮電源優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)勢。
為了說明如何實現(xiàn)上述工作，我們不妨先來看看設(shè)計小組能采用哪些優(yōu)化性能的方法。
在芯片自身內(nèi)部，系統(tǒng)設(shè)計人員能采用深度休眠模式、動態(tài)電壓和頻率縮放等技術(shù)，而且還能在芯片閑置時關(guān)閉不必要的資源。
我們還能在系統(tǒng)啟動過程中節(jié)約大量電力。通常說來，啟動過程中會開啟所有系統(tǒng)，不過我們可以讓那些應(yīng)用及啟動過程中不用的部分關(guān)閉或保持閑置狀態(tài)。
我們在軟件代碼優(yōu)化時也要想到功耗問題。通常的規(guī)律是，我們應(yīng)以盡可能小的占用空間集成盡可能多的必需功能，這樣可以縮減存儲器的占用面積。不過，由于應(yīng)用不得不更頻繁的執(zhí)行代碼，這種做法往往會導致功耗的加大。
編寫代碼時還應(yīng)減少指令存取的數(shù)量，并優(yōu)化緩存和內(nèi)部指令緩沖。上述措施都有助于節(jié)約DSP的工作模式時間，并最大化閑置時間，以此來降低頻率和電壓。
我們還能用其他技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)級控制，包括：
- 認真選擇組件
- 盡可能減少組件數(shù)量
- 首先采用內(nèi)部存儲器來最小化芯片間的功率損耗
- 對于啟動或低速運算以及偶爾用到的功能采用外部存儲器
- 啟動后給啟動存儲器斷電
新一代電源控制技術(shù)
通常說來，半導體廠商在芯片中內(nèi)置的節(jié)電功能會自動工作，舉例來說，芯片進入閑置狀態(tài)后電壓和頻率就會自動降低。
不過，我們現(xiàn)在有了更尖端的技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在能對 DSP BIOS 進行工作，從而進一步加強電源管理。
自動的電壓或頻率縮放是一種有用的特性。不過 DSP 的內(nèi)核電壓快速變動往往會對外設(shè)造成意料不到的影響。操作系統(tǒng)的時基可能會因頻率變動而受到影響，有些外設(shè)驅(qū)動程序可能需要了解頻率和電源狀態(tài)的變化，這樣才能繼續(xù)有效工作。
操作系統(tǒng)調(diào)度程序的有效性也會因為頻率縮放而受影響。通常說來，系統(tǒng)應(yīng)進行協(xié)調(diào)，以確保安全的電壓和頻率控制，適當?shù)剡M入閑置狀態(tài)。
半導體廠商通過創(chuàng)建DSP BIOS功率調(diào)整程序庫" title="程序庫">程序庫，可實現(xiàn)更高級的功耗控制，同時還能確保避免因電壓和頻率縮放而發(fā)生問題。通過GPIO引腳向外設(shè)發(fā)送消息，我們還能將上述控制技術(shù)從芯片延伸到外設(shè)。
圖2顯示了功率調(diào)整例程的實例（如下圖中的 PSL），設(shè)計人員通過代碼編寫，可從程序庫中直接調(diào)用。
我們不妨假設(shè) DSP 正在運行非常復雜的算法。通常說來，內(nèi)核電壓為 1.6V，頻率為 200 MHz，如圖 2 中左側(cè)藍線所示。不過，當未運行算法時，我們可用功率調(diào)整程序庫將頻率降至 72 MHz。
一般來說，內(nèi)核電壓會保持為1.6V。不過我們也可用功率調(diào)整程序庫安全地將電壓降至1.2V，從而在算法不運行期間使功耗進一步降低 30 mW。
TI 率先在其TMS320VC5509A DSP中采用功率調(diào)整程序庫，這就是本例所用的DSP。
圖2. 功率調(diào)整程序庫功能實現(xiàn)功耗微調(diào)。
新一代功耗估算技術(shù)
除了上述各種功耗工具的幫助之外，設(shè)計人員還需要想辦法估算整個系統(tǒng)的功率。解決這一問題的最新方法需要將半導體公司提供的軟件與虛擬儀表廠商（如美國國家儀器公司National Instruments）提供的硬件進行集成。
在采用這種方法時，開發(fā)人員可利用美國國家儀器公司提供的 LabView 來監(jiān)控實際應(yīng)用過程中芯片的執(zhí)行情況。TI 在數(shù)據(jù)表中提供了有關(guān) TMS320VC5509 的豐富功率測試數(shù)據(jù)。
采用 LabView 和 C55 電源優(yōu)化 DSK (C55 Power Optimization DSP Starter Kit)，設(shè)計小組能嘗試采用不同的實施方案，并用類似于圖 3 所示的 GUI 工具對功耗加以調(diào)節(jié)。
圖3. 調(diào)節(jié)DSP 內(nèi)核、I/O及電路板功耗。
我們可用上述工具包探索各種設(shè)計方案，并分別測得 DSP 內(nèi)核、DSP I/O 以及包括閃存存儲器、編解碼器及其他外設(shè)在內(nèi)的整個電路板的高精度功耗。
通過結(jié)合采用上述創(chuàng)新方法來控制芯片功耗并估算系統(tǒng)功耗，設(shè)計人員能夠獲得一種功能強大的新型方法，適用于功耗要求嚴格的 DSP 應(yīng)用。