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摘要：本文將介紹相關(guān)多媒體處理器的電源管理技術(shù)原理，以及如何利用這些技術(shù)降低功耗，并討論采用哪些外部電源管理器件和功率IC可確保處理器芯片全面發(fā)揮省電特性。

關(guān)鍵詞：多媒體處理器；動(dòng)態(tài)電源管理；DVFS；AVS；DPS

多媒體處理器通常是便攜式電子設(shè)備中功耗最大的器件。降低CPU功耗要求的通常做法是降低時(shí)鐘速率或工作電壓，但這樣做帶來(lái)的影響往往是降低系統(tǒng)性能。另一方面，芯片設(shè)計(jì)人員已推出多種片上技術(shù)，以在不影響系統(tǒng)性能的情況下降低功耗。

有源電源管理

片上電源管理技術(shù)分為兩大類(lèi)，管理工作系統(tǒng)功耗與管理待機(jī)功耗。

有源電源管理分為三個(gè)領(lǐng)域：動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放(DVFs)、自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)與動(dòng)態(tài)電源切換(DPS)。靜態(tài)功耗管理需要確保閑置的系統(tǒng)在需要更高處理能力之前處于省電狀態(tài)，也就是采用所謂的靜態(tài)漏電管理(SLM)技術(shù)，這種管理通常依賴(lài)于從待機(jī)到斷電的幾種低功耗模式。

我們先來(lái)看看主動(dòng)模式。利用DVFS技術(shù)，可根據(jù)應(yīng)用的性能需求通過(guò)軟件來(lái)降低時(shí)鐘速度和電壓。例如，我們不妨設(shè)想一款集成了高級(jí)RISC微處理器(ARM)與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的應(yīng)用處理器。盡管ARM組件的運(yùn)行速度可高達(dá)600 MHz，但系統(tǒng)并不總是需要如此高的計(jì)算能力。通常，我們可通過(guò)軟件來(lái)選擇預(yù)定義的處理器工作性能點(diǎn)(OPP)，這時(shí)的電壓可確保處理器工作在可滿(mǎn)足系統(tǒng)處理性能要求的最低頻率上。為了適應(yīng)不同應(yīng)用，進(jìn)一步提高優(yōu)化功率的靈活性，我們還可為處理器中的互連與外設(shè)預(yù)定義另外一組器件內(nèi)核OPP。

軟件根據(jù)OPP需向外部穩(wěn)壓器發(fā)送控制信號(hào)才能設(shè)置最低電壓。例如，DVFS適用于兩個(gè)供電電壓VDDl(DSP與ARM處理器的供電電壓)與VDD2(子系統(tǒng)與外設(shè)互連的供電電壓)，這兩個(gè)電壓軌提供了大部分芯片功率(通常在75％-80％)。在執(zhí)行MP3解碼時(shí)，可將DSP處理器轉(zhuǎn)入低操作性能點(diǎn)，從而大幅減少功耗供處理其他任務(wù)之用，這時(shí)的ARM運(yùn)行頻率高達(dá)125 MHz。為了在最佳功耗情況下實(shí)現(xiàn)必需的功能性，我們可將VDD1降至0.95V，而不使用最高1.35V的電壓，以確保600MHz的工作頻率。

自適應(yīng)電壓縮放(AVS)作為第二種有源電源管理技術(shù)，是以芯片制造過(guò)程中以及器件運(yùn)行生命周期中產(chǎn)生的差異為基礎(chǔ)的。該技術(shù)與所有處理器都采用相同預(yù)編程O(píng)PP的DVFS不同?？梢韵胍?jiàn)，就大多數(shù)已經(jīng)成熟的制造工藝而言，芯片的性能在既定頻率要求下要遵循一定的分布情況。部分器件(所謂的“熱”器件)相對(duì)于其他器件(所謂的“冷”器件)而言，能以較低的電壓實(shí)現(xiàn)給定的頻率，這就是AVS發(fā)揮作用的原理一一處理器感應(yīng)到自身的性能級(jí)別，并相應(yīng)調(diào)整供電電壓。專(zhuān)用的片上AVS硬件可實(shí)施反饋環(huán)路，無(wú)需處理器干預(yù)即可動(dòng)態(tài)優(yōu)化電壓電平，以滿(mǎn)足進(jìn)程、溫度以及硅芯片衰減等造成的差異要求(圖1)。

軟件可在工作中為每個(gè)OPP設(shè)置AVS硬件，而控制算法則通過(guò)12C,總線(xiàn)向外部穩(wěn)壓器發(fā)送指令，以逐步降低穩(wěn)壓器的輸出，直至處理器剛好超過(guò)目標(biāo)頻率的要求為止。

例如，開(kāi)發(fā)人員可首先設(shè)計(jì)一個(gè)能滿(mǎn)足所有情況的電壓，在125MHz頻率下為0.95V(在圖1中的u，上方)。但是，如果系統(tǒng)中插入了采用AVS技術(shù)的“熱”器件，那么片上反饋機(jī)制就會(huì)自動(dòng)將ARM的電壓降至0.85V或更低(圖1中的U上方)。

前兩種有源電源管理技術(shù)可以最小的工作電壓讓器件的某部分工作在理想的速度上。相比之下，第三種方法一動(dòng)態(tài)功率切換(DPs)先確定器件何時(shí)可完成當(dāng)前的計(jì)算任務(wù)，如果暫時(shí)不需要，則讓器件進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)(圖2)。例如，處理器在等待DMA傳輸完成過(guò)程中會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。處理器在喚醒后幾微秒內(nèi)就能返回正常工作狀態(tài)。

無(wú)源電源管理

雖然DPS可讓多媒體片上系統(tǒng)(SOC)的一部分進(jìn)入低功耗狀態(tài)，不過(guò)在有些情況下，我們可讓整個(gè)器件都進(jìn)入低功耗模式一在沒(méi)有應(yīng)用運(yùn)行時(shí)自動(dòng)或通過(guò)用戶(hù)請(qǐng)求進(jìn)入低功耗模式。要實(shí)現(xiàn)這一目的，我們可應(yīng)用靜態(tài)漏電管理(SLM)技術(shù)，啟動(dòng)待機(jī)或器件關(guān)閉模式。這兩種模式一個(gè)關(guān)鍵的不同之處在于：在待機(jī)模式下，器件仍然占用著內(nèi)部存儲(chǔ)器和邏輯，而在器件關(guān)閉模式下，所有系統(tǒng)狀態(tài)都保存于外部存儲(chǔ)器中。利用SLM技術(shù)，喚醒時(shí)間大大快于冷啟動(dòng)速度，因?yàn)槌绦蛞呀?jīng)載入到了外部存儲(chǔ)器，用戶(hù)無(wú)需等待操作系統(tǒng)(OS)完全重新啟動(dòng)。在采用SLM技術(shù)情況下，我們以媒體播放器為例，如果打開(kāi)10s后還沒(méi)有得到處理指令或用戶(hù)輸入，就會(huì)關(guān)閉顯示屏進(jìn)入待機(jī)或器件關(guān)閉模式。

例如，TI采用ARM Cortex-A8內(nèi)核的OMAP35x單芯片處理器器件就支持器件關(guān)閉模式，即器件可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。除了喚醒域之外，所有電源域均關(guān)閉，耗電的只有喚醒域與I／O漏電流。系統(tǒng)時(shí)鐘關(guān)閉，在此情況下，喚醒域的時(shí)鐘被單獨(dú)設(shè)為32kHz。此外，OMAP35x還可自動(dòng)向外部穩(wěn)壓器發(fā)送信號(hào)，穩(wěn)壓器能夠在深度睡眠狀態(tài)下關(guān)閉。處理器內(nèi)部不保存存儲(chǔ)器或邏輯。在進(jìn)器件關(guān)閉電模式前，系統(tǒng)狀態(tài)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。經(jīng)后喚醒復(fù)位后，微處理器單元(MPU)會(huì)啟動(dòng)用戶(hù)定義的功能，SDRAM控制器配置從高速暫存存儲(chǔ)器(sPM)中恢復(fù)。

可滿(mǎn)足各種用途的技術(shù)

通過(guò)結(jié)合采用上述電源管理技術(shù)，我們可實(shí)現(xiàn)多種操作條件下的最佳功耗。如果系統(tǒng)忙于處理播放高分辨率視頻等便攜式播放器任務(wù)，那么可在VDDl上設(shè)置過(guò)壓OPP。如果是功耗適中的web瀏覽，則可為VDDl與VDD2設(shè)置額定的OPP。若是功耗較低的音樂(lè)欣賞，則可為VDDl與VDD2設(shè)置最低的OPP。在上述所有情況下，我們都可啟動(dòng)AVS來(lái)平衡“冷”、“熱”器件的功耗差別。最后，如果用戶(hù)打開(kāi)媒體播放器但數(shù)小時(shí)或數(shù)天都不使用，就會(huì)通過(guò)SLM技術(shù)自動(dòng)使器件進(jìn)入關(guān)閉模式。

為更好的理解采用上述技術(shù)所帶來(lái)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，需要將下列案例納入考慮范圍。在以下案例中，除有特別說(shuō)明，否則我們一概不采用TI的AVS／SmartReflex技術(shù)。在這些描述中，IVA指影像、視頻以及音頻加速器子系統(tǒng)。

·案例一：器件關(guān)閉模式－0.590mW。這是TIOMAP可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。在該模式下，整個(gè)器件除了喚醒域之外全部關(guān)閉，而喚醒域的工作頻率還不到32kHz。關(guān)閉不使用的穩(wěn)壓器(VDDl=VDD2=0)，自動(dòng)刷新SDRAM，喚醒時(shí)特殊啟動(dòng)序列恢復(fù)SDRAM控制器和系統(tǒng)狀態(tài)。

·案例二：待機(jī)模式－7mW。在該器件狀態(tài)下，僅喚醒域工作，所有其他非喚醒電源域都處于低功耗保存狀態(tài)(VDDl=

VDD2=0.9V)。所有邏輯和存儲(chǔ)器將保留。AVS關(guān)閉。

案例三：音頻解碼－22mW(不含DPLL與IO功耗)。雖然ARM工作在125MHz頻率上，但僅設(shè)置DMA從多媒體卡讀取輸入數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。IVA解碼MP3幀(44.1kHz、128kbit／s立體聲)，并將解碼數(shù)據(jù)發(fā)送到SDRAM的緩沖中。片上多通道緩沖串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)到音頻編解碼器以用于回放。就系統(tǒng)配置而言，DSP的工作頻率為90MHz，在無(wú)需處理周期時(shí)進(jìn)入低功耗模式以降低功耗。這時(shí)，VDDI為0.9V，VDD2為1V。

·案例四：音頻／視頻編碼－540mW(不含DPLL與IO功耗)。在該案例中，我們捕獲并對(duì)音頻進(jìn)行編碼(AACe+、48kHz、32kbit／s立體聲)，捕獲并編碼視頻(H.264VGA分辨率，每秒20幀，2.4Mbit／s)，音頻和視頻都保存，同時(shí)顯示視頻。在該配置下，ARM工作頻率為500MHz，DSP運(yùn)行頻率為360MHz，VDDl為1.2V，VDD2為1.15V。此外，片上攝像子系統(tǒng)還可從外部傳感器捕獲視頻輸入，多通道緩沖串行端口捕獲音頻PCM輸入，IVA執(zhí)行音頻和視頻編碼，編碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多媒體卡中，而顯示子系統(tǒng)則使視頻循環(huán)，并將視頻發(fā)送至LCD與電視輸出接口。

實(shí)施電源管理

為了實(shí)現(xiàn)充分的電源管理靈活性，DSP處理器采用片上電源復(fù)位與時(shí)鐘管理器(PRCM)。OMAP3530處理器的功能模塊分為18個(gè)電源域，每個(gè)電源域都擁有自己的開(kāi)關(guān)。PRCM可開(kāi)關(guān)所有電源域，但許多電源域也可由用戶(hù)控制。此外，每個(gè)電源域都能根據(jù)邏輯與存儲(chǔ)器是否加電、以及時(shí)鐘是否處于工作狀態(tài)而進(jìn)入四種狀態(tài)之一：工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)、保持或關(guān)閉。

就ARM與DSP器件而言，上述狀態(tài)通常需要輔助穩(wěn)壓器。市場(chǎng)上的許多穩(wěn)壓器都可滿(mǎn)足上述要求，當(dāng)然還需滿(mǎn)足處理器的電壓、電流、功率轉(zhuǎn)換速率規(guī)范以及功率上升下降排序要求等。為了在ARM與DSP處理器上執(zhí)行DVFS與AVS操作，相關(guān)穩(wěn)壓器必須支持FC可編程性。在器件關(guān)閉模式下，電路系統(tǒng)必須能通過(guò)自動(dòng)發(fā)出的12C命令或?qū)ｉT(mén)的GPIO信號(hào)打開(kāi)或關(guān)閉VDDl與VDD2穩(wěn)壓器。如果采用GPIO信號(hào)，由于不存在12C延遲，那么喚醒時(shí)間會(huì)更快些。為了減輕設(shè)計(jì)工程師的負(fù)擔(dān)，上述各功能的所有特性最好集成在單個(gè)器件中，從而大幅減少部件數(shù)(圖3)。