嵌入式媒體引擎的實(shí)用電源管理
2004年10月B版
目前,可用的電源管理技術(shù)很多,人們也在積極研究許多新技術(shù)。遺憾的是最有效的技術(shù)常常與操作系統(tǒng)及應(yīng)用框架發(fā)生沖突。新技術(shù)往往相當(dāng)復(fù)雜,并針對(duì)特定的專門應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化,在多用途計(jì)算平臺(tái)上的適用性也時(shí)常受限制。本文首先總結(jié)了普通的節(jié)電技術(shù),然后介紹一些效果更好 (higher-payoff) 的技術(shù)(CPU時(shí)鐘閑置以及電壓與頻率縮放),并將介紹這些支持技術(shù)如何集成為輔助電源管理器模塊,從而成為數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在此提供了一個(gè)音頻應(yīng)用實(shí)例,說明如何利用該架構(gòu)大幅提高功效。本文是專門介紹低功率設(shè)計(jì)的上下兩部分系列文章中的第一篇。第二篇文章將集中討論外設(shè)及 I/O 電源管理技術(shù),將節(jié)電擴(kuò)展到 CPU 內(nèi)核范疇之外。
圖1 電源管理器分區(qū)
節(jié)電技術(shù)
CMOS 電路的總功耗是活動(dòng)功耗與靜態(tài)功耗之和。電路工作或從一種邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種邏輯狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生活動(dòng)功耗;電路未發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)發(fā)生靜態(tài)功耗,主要是由于晶體管漏電流造成的�；顒�(dòng)功耗近似值的計(jì)算方程式如下：Pactive ~ Cpd x F x Vcc2 x Nsw
這里的 Cpd 為動(dòng)態(tài)電容,F 為開關(guān)頻率,Vcc 為電源電壓,而 Nsw 為轉(zhuǎn)換的比特?cái)?shù)。從上述方程式中看到,最簡(jiǎn)單的節(jié)約活動(dòng)功耗的方法就是停止電路計(jì)時(shí),即設(shè) F為零,讓 Pactive 為零。許多 CPU 都有“閑置”或“停止”指令以實(shí)現(xiàn)此目的,在 CPU 等待中斷時(shí)通過門控使內(nèi)部 CPU 時(shí)鐘關(guān)閉。此外,一些處理器還包括分立控件,可通過門控關(guān)閉非 CPU 時(shí)鐘域,如高速緩存、DMA、外設(shè)、時(shí)鐘脈沖發(fā)生器等。
回過頭再來看上面的方程式,如果應(yīng)用在降低 CPU 時(shí)鐘速率時(shí)仍可滿足處理要求,則就能相應(yīng)成比例地節(jié)約活動(dòng)功耗。如果 CPU 頻率可安全降低,而且該頻率與 CPU 可用的較低工作電壓兼容,那么由于 Vcc 的二次關(guān)系,通過降低電壓就可能額外大大降低功耗。不過,降低 CPU 時(shí)鐘速率也會(huì)成比例延長(zhǎng)執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間,這就要求認(rèn)真分析應(yīng)用,看看其能否仍能滿足實(shí)時(shí)要求。表 1 給出了常用的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)總結(jié),表 2 則給出了常用的運(yùn)行時(shí)間節(jié)電技術(shù)。
為 OS 添加電源管理支持
時(shí)鐘閑置以及動(dòng)態(tài)頻率與電壓的縮放對(duì)總體應(yīng)用和操作系統(tǒng)本身都會(huì)產(chǎn)生巨大影響,這常常是實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)的一個(gè)障礙,例如,如果 CPU 頻率的縮放是動(dòng)態(tài)的,就可能影響 OS時(shí)間基,而且會(huì)導(dǎo)致時(shí)鐘與 CPU 時(shí)鐘相關(guān)聯(lián)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序的故障。同樣,如果某項(xiàng)任務(wù)在等待 I/O 完成時(shí)任意使 CPU 閑置,那就很容易導(dǎo)致應(yīng)用死鎖。因此,為了積極采用上述技術(shù),OS 功耗必須低 (poweraware),某些操作責(zé)任(如 CPU 時(shí)鐘閑置)必須由 OS 來承擔(dān)。
