嵌入式DSP计划中的功耗优化

　　对基于数字信号处理惩罚器(DSP)的体系而言，优化功耗是一项紧张但每每难以实现的计划目标。

　　如今，基于DSP的配置通常把以往各自独立的多个应用连合起来，每一个应用都大概有多个事变模式。要得到如许一个配置的功率散布黑白常困难的一件事，更遑论整个巨大的体系。计划职员必要获知尽大概多的最佳信息，以及可以或许资助他们优化特定应用之功耗的技能和东西。

　　荣幸的是，比年来，在DSP芯片的计划和制造工艺方面，都在不绝推出更先辈的功耗低落要领。如今的片上功率优化技能可以或许提供更多的风雅控制和更多的省电模式，以及关于处理惩罚器功耗的更完备的信息。更新型的DSP开辟东西使计划职员得以更深入透彻地相识体系的功率斲丧方法，并通过片上硬件来提供功耗低落技能。

　　为了让开辟职员可以或许更机动地控制省电技能，更好地和谐浩繁片上成果间的低功率事变和时序题目，DSP操纵体系整合了多项功率办理成果。这些内建成果及东西加上体系计划的经心摆设，DSP体系的功耗可得到大幅度低落。

　　低功耗题目

　　低功耗对全部的DSP体系都很紧张，固然来由因详细应用而异。在网格供电体系中，低落功率就意味着低落开销、进步可靠性，以及实现紧凑型计划，从而可以在雷同的空间中集成更多的成果性，同时必要更少的电扇和别的冷却技能。在高清医疗成像等关键应用产品中，器件事变孕育产生的热量乃至大概导致运行妨碍，因此，低于配置最大额定值并增长对低功耗的请求是至关紧张的。

　　在便携式电子体系中，低功耗有助于只管即便减小体系的尺寸及重量，同时把电池充电后的利用时间延至最长。较小电池的利用可进一步低落体系的范围。更低的功率另有助于克制便携式体系在延时利用时期过热。因功耗低落，手机、PDA、MP3播放器、数码相机和视频摄像机这些电子仪器及其他手持式配置的尺寸都日趋纤小，事变温度越来越低，而充电后的利用时间越来越长。

　　明白功率散布和芯片资源

　　在任意范例的体系中，低落功率的第一步是相识体系的利用方法，以及这种利用是怎样影响功耗的。比如，手机大部分时间都处于等待呼唤的状态中，实际通话的时间相称少。另一方面，MP3播放器通常不是开机处于激活运行状态，便是处于关断状态。别的体系、线路供电体系以及便携式体系，都有着差别的待机功耗散布和激活事变功耗散布，拜见下面的图1。

图1：事变功耗和待机功耗

　　相识功耗散布有助于计划职员选择一个具功率服从的处理惩罚器，由于在某些范例的应用中，DSP的根本CMOS技能大概对功耗孕育产生很大的影响。先辈的CMOS工艺则基于事变电压极低的高性能晶体管。根据既定应用，可以量身定做晶体管，通过对静态电流举行钳位把功耗降至最小，或把性能进步到最大，只管如许会轻微增长泄泄电流。专门为手机如许的待机时间很长的应用而计划的DSP，可通过低走漏晶体管把静态电流降至最低，而为总是处于激活状态的高性能应用而计划的DSP则较青睐开关速率更快的晶体管。

　　体系利用还包括体系对种种变乱的相应，以及电路接通电源时的耽误。初始上电时大概有一些耽误，而体系从待机模式被唤醒时，较小的耽误是可以担当的。但用户一样平常都盼望处于激活事景况态的体系可以或许实时相应，故而这时片上成果不克不及处于深度就寝模式。这里有两方面的思量：第一，部分成果可以较别的成果更彻底地关断，尤其是在待机时期，激活事变时期也云云。第二，处理惩罚器的功率模式控制本领越风雅，计划职员就越可以或许举行充分的功耗调理以得当体系的操纵环境。

　　高功率服从的DSP芯片计划通过创建电源域，使应用可以或许堵截不在利用中的成果的时钟输入，从而把全部这些因素都思量在内了。正如处理惩罚内核可以或许进入就寝模式，此时它不实行任意操纵，直到被停止信号唤醒，外设和存储器模块也同样可以被置于就寝模式，在必要时才被唤醒。无时钟输入成果中的晶体管除静态电流之外，没有什么功耗，而规复时钟所需的唤醒耽误被减至最小。体系计划职员在思量其产品的利用环境时，还必要思量到在为各项成果提供时钟方面，DSP可以或许提供多少控制本领，或是否可以或许主动处理惩罚。

　　节能DSP内建的另一项成果是可以或许调理内核电压和频率。要是DSP可低落内核时钟速率并仍旧餍足其处理惩罚请求，则事变功耗会相应地按比例节流。更低的频率加上更低的事变电压，可以节流相称可观的能量。可以在体系启动时调理电压和频率以适于整个体系的运行，也可以在应用必要变化时通过软件对之予以动态控制，这就为非峰值处理惩罚时期的功耗减少提供了一种紧张的本领。

　　精确功率信息的得到

　　巨大DSP体系大概具有多个内核、应用和办理模式，这使得对功率的估算极其困难。传统的功率确定要领基于某些信息来实现，比如器件数据手册上注明的最大电流值，每周期或每条指令的耗电量(mA/MHz, mA/MIPS)以及测试案例等。

　　这些要领只能用来做大抵估算，但对内核、外设和片上存储器可以根据应用和操纵模式举行独立开关的巨大体系而言，是不敷以估算DSP功耗的。计划职员必要明白相识实际应用中片上各项成果的详细功耗，由于实际的功率信息使他们可以或许越发正确地估算出差别实现方案的结果，并测定出在差别平台上应用是怎样影响功耗的。

　　在DSP制造方面，所必要的是模块化的功率估算方案，即把配置分别为多少子体系，然后独立运行每一个子体系。一旦确定了每一个片上成果的最大功率值和空闲功率值，就可以通过插值法为一个成果创建一条功耗曲线。于是，在明白了每一成果的运行级别之后，可以把从各条曲线得到的功率值累加，末了给出整个配置的实际功率估算值。

　　图2是一个功率估算电子数据表，它把一个典范的DSP分析为多少个子体系，由用户输入相干参数，然后可以返回配置的功率估算值。就像这个电子数据表所表现的，估算是否精确取决于用户提供的信息是否反应出对体系利用方法的精良相识，包括数据宽度、频率、电源电压和利用中外设的可用带宽的百分比等因素。

图2：功耗估算

　　低功耗计划

　　具有功耗意识的计划(Power-conscious design)技能可以资助DSP计划职员充分利用精确的功率估算。在体系级，计划职员应该经心选择相干元件，使其数量尽大概地低。别的，计划职员还应该思量到哪些未利用的元件可以置于省电模式，尤其是在待机时期。板级存储器的利用也是一个功率斲丧源，由于必须同时给存储器芯片和电路板迹线供电。

　　应用应该尽大概地利用DSP的内部存储器，以保持片上大带宽存储，把外部存储器保存用作偶然偶尔的低速存取。片外存储器也可以很好地完成启动事变，但应该在启动后被置于省电模式。为了淘汰存储器中的代码量和所取指令的数量，应该优化软件提拔性能。更紧凑的代码有助于更好地利用缓存和内部指令缓冲器，并且运行速率更快，故能淘汰体系处于激活模式的时间。

　　大多数特定配置都是利用DSP的内建硬件本领来低落功耗的。从一启动开始，应用配置就 可以让不利用的模块处于空闲状态，外设功耗只限用于那些在指定时间才必要的I/O 。应用通常在启动时就直接控制各个模块，稍后，DSP内核可以背景实行一个循环来检测哪些成果不必要，然后把它们关断。要是应用采取了这些技能，芯片的就寝模式就可以把空闲时期内核及芯片的功耗降至最低。

　　若所请求的总体性能不便是配置的全部本领，则可以在启动时就对DSP内核电压和频率(V/F)举行调理。若体系在具有差别性能负载的应用间更替，V/F调理也可以在运行时期动态举行。要实现V/F调理，计划必须提供DSP外部电源电压控制，以及内建于背景循环步伐的软件控制。由于频率调理减慢内核的运行速率，计划职员在应用计划中应该思量到相互接洽干系的各个操纵间的时序题目。

　　OS中的功率办理

　　不论是通过V/F调理还是通过低功耗模式来动态变化体系的功率请求，都必要涉及到DSP的及时操纵体系(RTOS)。RTOS中的功率办理(PM)模块可以或许在启动时实现功耗节流，并在整个体系上和谐各个低功耗操纵。

　　内核频率调分析影响子体系操纵的时序，因此PM可以或许在完成频率调理之掉队行时钟调理。要是映射用来说OS时钟精度不紧张，大概是用户盼望节流空间，则可以不利用PM成果

　　别的，当线程被阻断时，用户还可以激活或停用主动使时钟处于空闲状态的PM成果。在其和谐作用中，PM提供了一种用于功率变乱关照的注册成果，当特定功率办理变乱产生时，客户可以注册关照，由于体系的巨大性，PM支持多个客户端并容许客户耽误变乱的完成。

　　PM还提供了一个应用编程接口(API)库，可实现芯片的低功率技能软件控制。通过这些API，应用可以或许门控时钟，激活就寝模式并寂静办理V/F调理设置点之间的晶体管。这些设置点作为调理参数，使V/F可以或许根据精确的次序低落和进步，并且具有精确操纵所必须的设置时间。

　　下面图3表现了设置点是怎样控制V/F调理的时序的。由于电压和频率调理对计划中所用的DSP和电压调理器是特定的，PM API支持设置点耽误查问和配置，同时PM库可被重修。

图3：功耗调理结果

　　东西的帮助开辟成果

　　要有效办理上述全部技能题目，必要一些专门为功率办理而计划的东西。雷同于DSP东西开辟的别的范畴，功率优化东西也致力于提供可视化和易于利用的上风，以资助简化体系阐发并收缩上市时间。

　　这些东西连合DSP的嵌入式及RTOS功率办理技能，可以提供计量表、示波器波形、信道校准、测试代码和变乱触发等等测试成果。利用这些便捷成果，计划职员可得到一个反馈机制，凭此评估各个实现方案对功耗的影响，终极得到一个最佳方案。

　　图4表现了在计划周期中，集成的硬件和东西平台，比如国度仪器有限公司(National Instruments)的C55x电源优化DSP入门套件(DSK)，可以或许怎样故及在什么地方资助开辟职员在差别的计划环境下评估DSP的功耗，从而使是他们可以或许更敏捷地选定最得当其体系的最佳低功耗/高性能总体方案。

图4：功耗优化流程

　　从一开始就举行功率计划

　　在体系开辟中，功率优化偶然被当作一项过后事变来处理惩罚，但这是不同错误的。在开辟周期中，越早思量功率优化题目越好，对付具有多个应用和事变模式的巨大体系而言尤其如是。为了扩展电池事变时间，低功耗通常是重要的请求之一，纵然是线路供电体系也必要通过低落耗电量来淘汰散热和运行本钱。

　　为了优化功耗，计划职员必要相识体系的功率散布，以提供全面的参考信息源，从而在功率估算中把全部重要的体系成果都思量在内。基于高功率服从的CMOS工艺的DSP集成了硬件技能，比如风雅定义的低功率模式和电压/频率调理。API使这些技能很容易通过RTOS实现应用控制，测试东西可资助计划职员估算出差别实现方案的功耗。利用这些资源，开辟职员有充分的来由从开辟周期的最开始就举行功率计划。