基于嵌入式DSP應(yīng)用的低功耗優(yōu)化策略
無線系統(tǒng)及有線系統(tǒng)設(shè)計(jì)師均必須重視電源效率問題，盡管雙方的出發(fā)點(diǎn)不盡相同：對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言，更長的電池使用壽命、更長的通話時(shí)間或更長的工作時(shí)間都是明顯的優(yōu)勢(shì)，降低電源要求意味著使用體積更小的電池或選擇不同的電池技術(shù)，這在一定程度上也緩解了電池發(fā)熱問題；對(duì)于有線系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)師可通過減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風(fēng)扇噪聲來提高電池效率。人們很少會(huì)提到這樣一個(gè)事實(shí)：提高電源效率還可節(jié)省空間，而節(jié)省的空間可以用來增加能夠提高系統(tǒng)性能的組件，尤其是設(shè)計(jì)小組希望添加一個(gè)以上處理器時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。
設(shè)計(jì)嵌入式DSP處理器或系統(tǒng)功耗要求嚴(yán)格的系統(tǒng)時(shí)，采用DSP專用技術(shù)、操作系統(tǒng)及其支持軟件可以降低功耗。超越傳統(tǒng)技術(shù)的DSP或雙處理器設(shè)計(jì)在節(jié)約能量方面表現(xiàn)出色。
功耗基礎(chǔ)知識(shí)
互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路的總功耗是動(dòng)態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和：
當(dāng)門發(fā)生邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)點(diǎn)充電所需的開關(guān)電流以及P通道及N通道同時(shí)暫態(tài)開啟引起直通電流時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)功耗。通過以下公式可以估算其近似值：
其中，Cpd為動(dòng)態(tài)電容，F(xiàn)為開關(guān)頻率，Vcc為電源電壓，而Nsw為轉(zhuǎn)換的比特?cái)?shù)。另外，電壓(Vcc)決定著穩(wěn)定工作狀態(tài)下的最大開關(guān)頻率(F)。上述關(guān)系中包含兩個(gè)重要概念：動(dòng)態(tài)功耗與開關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與電源電壓呈二次關(guān)系；最大安全開關(guān)頻率取決于電源電壓。為便于本文討論，將特定的頻率及電壓對(duì)稱為“設(shè)定點(diǎn)”。
很顯然，降低CPU時(shí)鐘速率將相應(yīng)成比例地降低動(dòng)態(tài)功耗，由于動(dòng)態(tài)功耗與電源電壓成二次關(guān)系，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，通過降低電壓就可能大大降低功耗。不過，對(duì)于特定任務(wù)集，降低CPU時(shí)鐘速率也會(huì)成比例地延長執(zhí)行該任務(wù)集的時(shí)間，因此必須仔細(xì)分析應(yīng)用以確保滿足其實(shí)時(shí)需求。
靜態(tài)功耗主要是由于晶體管漏電流造成的。一般說來，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比可以忽略不計(jì)。嵌入式應(yīng)用在不工作期間通常會(huì)“閑置”CPU時(shí)鐘以減少動(dòng)態(tài)功耗，從而顯著降低總體功耗。而在未來的設(shè)計(jì)中必須特別關(guān)注靜態(tài)功耗問題，因?yàn)楦咝阅艿男滦途w管的漏電流將顯著提高。
嵌入式系統(tǒng)常用技術(shù)
常用電源管理技術(shù)可以分為兩類：通過早期硬件設(shè)計(jì)決策時(shí)實(shí)現(xiàn)，或在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)早期的決策對(duì)滿足性能及功耗至關(guān)重要，下面列出了設(shè)計(jì)中需要考慮的十大要素，其中包括硬件選擇、設(shè)計(jì)策略及架構(gòu)選擇。大多數(shù)要素都是嵌入式系統(tǒng)的基本要求，其他要素則需要單獨(dú)考慮。盡管下列決策是在設(shè)計(jì)早期制定的，但有些仍需在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行再驗(yàn)證。如下所列：
1. 選擇低功耗組件；
2. 分割電壓與時(shí)鐘域；
3. 支持電壓及頻率調(diào)節(jié)功能；
4. 啟用保持電壓門控功能；
5. 通過軟件利用中斷減少輪詢；
6. 采用分級(jí)存儲(chǔ)器模型；
7. 降低輸出負(fù)載；
8. 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉非關(guān)鍵資源供電；
9. 盡量減少活動(dòng)PLL數(shù)量；
10. 使用時(shí)鐘分頻器快速變換頻率。
