多媒體處理器通常是便攜式電子設(shè)備中功耗最高的器件。降低 CPU 功耗要求的常見方法是降低時(shí)鐘頻率或工作電壓，但是一般而言這樣做會(huì)使系統(tǒng)性能降低。另一方面，芯片設(shè)計(jì)人員還提出了各種片上方法來降低功耗，并且不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。本文介紹了這些方法的概念，以及我們?nèi)绾芜\(yùn)用它們實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，同時(shí)還討論了幫助處理器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源 IC。
有源電源管理
片上電源管理技術(shù)主要適用于兩類應(yīng)用：管理有源系統(tǒng)功耗和管理待機(jī)功耗。
有源電源管理分為三個(gè)部分：動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS);自適應(yīng)電壓縮放 (AVS);以及動(dòng)態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS)。另一方面，靜態(tài)功耗管理包括在需要進(jìn)行更多處理以前將空閑系統(tǒng)維持在一種低功耗狀態(tài)。這種電源管理使用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其通常利用從待機(jī)到關(guān)機(jī)的數(shù)種低功耗模式。
讓我們來看一下有源模式。利用 DVFS，根據(jù)應(yīng)用所要求的不同性能，時(shí)鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如，一款包括了先進(jìn) RISC 機(jī)器 (ARM) 和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的應(yīng)用處理器，即使 ARM 組件可以運(yùn)行在高達(dá) 600 MHz 的時(shí)鐘頻率下，但卻并非總是需要所有這些計(jì)算能力。一般而言，軟件會(huì)選擇數(shù)個(gè)預(yù)定義處理器工作性能點(diǎn) (OPP)，其包括確保處理器能夠運(yùn)行在滿足系統(tǒng)處理要求的最低頻率下的電壓。在對(duì)滿足不同應(yīng)用要求的功耗進(jìn)行優(yōu)化的過程中，為了獲得更大的靈活性，人們?yōu)?a href="http://100bbcc.com/article/3667.html" target="_blank">處理器中的互連和外設(shè)預(yù)定義了一個(gè)單獨(dú)的器件內(nèi)核 OPP 集。
與給定的 OPP 相對(duì)應(yīng)，軟件向外部穩(wěn)壓器發(fā)出控制信號(hào)來設(shè)置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個(gè)電壓源 VDD1(為 DSP 和 ARM 處理器供電)和 VDD2(為子系統(tǒng)和外設(shè)之間的互連供電)，同時(shí)這些電源軌提供芯片所需的大部分電量(一般約為全部所需電量的 75% 到 80%)。通過將 DSP 處理器轉(zhuǎn)入一個(gè) ARM 可以高達(dá) 125MHz 時(shí)鐘頻率運(yùn)行的低工作性能點(diǎn)完成對(duì) MP3 解碼的同時(shí)，還可以有許多剩余電力用于完成其他任務(wù)。為了獲得具有理想功耗的這種功能性，我們可以把 VDD1 降至 0.95V，而非保證 600 MHz 運(yùn)行的 1.35V 最高電壓。
第二種有源電源管理技術(shù)即自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 基于芯片制造和器件工作壽命期間出現(xiàn)的各種變化。這種技術(shù)是相對(duì)于 DVFS 的，DVFS 中所有處理器均具有相同的預(yù)編程 OPP。正如人們認(rèn)為的那樣，在大多數(shù)現(xiàn)有制造工藝中規(guī)定頻率要求的芯片性能符合一種充分定義的電源分配。相比許多“冷”器件，一些器件(即“熱”器件)可以在較低的電壓下達(dá)到規(guī)定頻率。此時(shí)，AVS 便可以發(fā)揮作用了—處理器檢測(cè)其自有性能水平，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)各電壓源。專用片上 AVS 硬件可實(shí)施一個(gè)反饋環(huán)路，其并不要求處理器介入，從而動(dòng)態(tài)地優(yōu)化電壓電平來應(yīng)對(duì)處理結(jié)果、溫度和硅芯片性能降低中的變化(請(qǐng)參見圖 1)。
圖1
圖 1 顯示了特定處理器的典型性能分布情況。其中，“冷”器件要求 0.94V 電壓以實(shí)現(xiàn) 125 MHz 的運(yùn)行，而“熱”器件則只需要 0.83 V 就可實(shí)現(xiàn)相同頻率的運(yùn)行。自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 使用一個(gè)可相應(yīng)調(diào)節(jié)電源電壓的反饋環(huán)路，這樣單個(gè)器件便可以完成特定處理任務(wù)所需的頻率運(yùn)行了。
運(yùn)行中，軟件為每一個(gè) OPP 安排 AVS 硬件，同時(shí)控制算法通過一條 I2C 總線向外部穩(wěn)壓器發(fā)送命令，逐步遞增降低相應(yīng)穩(wěn)壓器的輸出，直到該處理器剛好超出目標(biāo)頻率要求為止。
例如，開發(fā)人員可以在一個(gè)適合于所有情況的電壓下并以 0.95V 的 125 MHz 頻率為目標(biāo)開始進(jìn)行設(shè)計(jì)(上面圖 1 所示的 V1)。但是，如果一個(gè)使用 AVS 的“熱”器件被插入該系統(tǒng)，那么該片上反饋機(jī)制就會(huì)自動(dòng)地將電壓降至 ARM，即 0.85V 或更低(上面圖 1 所示的 V2)。
前兩種有源電源管理方法可獲得理想速度下運(yùn)行器件局部所需的最低工作電壓。相比之下，第三種方法動(dòng)態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS) 可確定器件何時(shí)完成其當(dāng)前計(jì)算任務(wù)，如果當(dāng)前并不需要，則將器件切換到低功耗狀態(tài)(請(qǐng)參見圖 2)。例如，在等待 DMA 傳輸完成時(shí)，處理器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。喚醒時(shí)，處理器可以在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)迅速返回到正常狀態(tài)。
圖2 動(dòng)態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS) 將完成任務(wù)后的特定器件的相應(yīng)部分切換至低功耗狀態(tài)。
