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??? 過去，選用低功耗" title="低功耗">低功耗 CPU通常意味著需要犧牲其功能性、降低時鐘運行速度、或需要等待新型低功耗技術(shù)推出才能降低待機和工作功耗?，F(xiàn)在，這種情況已得到了徹底改觀，處理器產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。處理技術(shù)不斷發(fā)展，創(chuàng)新型芯片設(shè)計和高精細粒度電源管理軟件不斷進步，為我們帶來了全新系列的低功耗處理器，設(shè)計人員" title="設(shè)計人員">設(shè)計人員再也不用承受犧牲系統(tǒng)設(shè)計性能的代價。當(dāng)然，沒有哪種產(chǎn)品是十全十美的，因此工程師必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)要求，分析不斷豐富的低功耗處理器產(chǎn)品，找出最能滿足其應(yīng)用要求的解決方案。

本文將以產(chǎn)品選擇指南的形式總結(jié)性介紹產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平。在選擇產(chǎn)品時，主要應(yīng)考慮兩大要素：第一，系統(tǒng)設(shè)計人員需高度重視如下設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：

• 功耗
• 性能
• 集成性
• 上市時間
• 價格

??? 第二個因素就是處理器，我們可根據(jù)處理器所包含的不同特性集對其加以分析，然后闡述一般性標(biāo)準(zhǔn)的真實含意以及如何為各種類型的處理器評級。了解處理器信息可實現(xiàn)兩大目標(biāo)：一是幫助系統(tǒng)設(shè)計人員了解市場上最新的處理器類型，其中有些可能對于他們而言是相對不太熟悉的新產(chǎn)品；二是在可選產(chǎn)品日趨豐富的情況下，可進一步幫他們縮小為既定設(shè)計選擇最佳芯片的范圍。

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檢驗標(biāo)準(zhǔn)

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??? 表 1 向您綜合介紹了各種不同的低功耗器件，根據(jù)設(shè)計人員感興趣的幾種標(biāo)準(zhǔn)將低功耗處理器分為幾大不同的類型。首先我們要注意的是，這些標(biāo)準(zhǔn)都是彼此密切相關(guān)的。例如，在芯片上" title="片上">片上集成多個內(nèi)核、模擬特性、大容量存儲器或眾多外設(shè)" title="外設(shè)">外設(shè)等多種功能有助于降低系統(tǒng)總功耗與成本，并顯著加速產(chǎn)品上市進程。但是，這樣的高度集成會增加功耗，并使編程更復(fù)雜，從而延長產(chǎn)品的上市時間。

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功耗

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??? 對當(dāng)前眾多設(shè)計而言，這可謂是最重要的標(biāo)準(zhǔn)。對于便攜式產(chǎn)品而言，更長的電池使用壽命是消費者最關(guān)心的問題。如基礎(chǔ)局端應(yīng)用，低功耗轉(zhuǎn)換有助于降低散熱量，但散熱“包絡(luò)組件”又可能影響通道密度，不利于增加特性。此外，有些設(shè)計方案的就限定不能有高功率，如采用 USB 供電的產(chǎn)品或使用汽車電池的汽車配件產(chǎn)品，這種應(yīng)用就限定僅能有幾毫瓦的運行功率。

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??? 我們應(yīng)從系統(tǒng)角度更好地認(rèn)識功耗。片上外設(shè)的正確組合有助于進一步降低總體系統(tǒng)功耗，這不僅是因為片外器件耗電更多，還因為在 PC 板上的線跡間傳輸數(shù)據(jù)消耗的電力比在器件自身內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)消耗的電力要多得多。

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??? 就獨立器件而言，其節(jié)能性取決于工藝技術(shù)的固有優(yōu)勢，不過高級處理器除了先進工藝之外，還有眾多其他功能。功耗可分為兩大模式：一是工作功耗，也就是數(shù)據(jù)處理期間晶體管轉(zhuǎn)換與工作時的功耗；二是靜態(tài)功耗，即不進行數(shù)據(jù)處理工作或其工作受限以及各種組件進入類似休眠模式時的功耗。

工作狀態(tài)的電源管理可采用數(shù)種方案：

• 動態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS)：采用 DVFS 技術(shù)時，軟件命令可根據(jù)應(yīng)用方案所需的性能降低時鐘速率與電壓。例如，盡管多媒體處理器的 ARM 運行速度可達 600 MHz，但并不是所有情況下都需要如此高的功率。軟件可在預(yù)定義的工作性能點上做出選擇，讓處理器以特定速率運行。
• 自適應(yīng)電壓縮放 (AVS)：硅芯片制造工藝會導(dǎo)致不同部件有著不同的性能分布，我們可利用這一特點實施 AVS 技術(shù)。也就是說，在既定頻率要求下，有些所謂“熱”器件的產(chǎn)品可以較低電壓實現(xiàn)較高性能，而“冷”器件則做不到這一點。在此情況下，處理器能感測其自身的性能級別，并相應(yīng)調(diào)節(jié)電壓，以補償處理、溫度及硅芯片衰減等變化因素。
• 動態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS)：該技術(shù)可確定器件某個部分是否已完成其當(dāng)前任務(wù)、目前是否還需要它繼續(xù)工作以及何時可讓它進入低功耗狀態(tài)。該粒度化電源控制的一個范例就是處理器在等待 DMA 傳輸完成過程中已進入低功耗狀態(tài)。

??? 如果不進行數(shù)據(jù)處理或處理工作受限時，選定組件便可進入極低的功耗模式，且系統(tǒng)等待喚醒事件，這時靜態(tài)電源管理就會啟動。通過眾所周知的靜態(tài)漏電管理方案來實現(xiàn)靜態(tài)電流管理，可支持?jǐn)?shù)種不同的低功耗模式，其中包括待機模式乃至完全處于電源關(guān)閉狀態(tài) (Power Off)。低功耗靜態(tài)模式的選擇取決于存儲器保持度和/或是否需要快速喚醒。

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??? 憑借上述特性，大多數(shù)低功耗處理器規(guī)定的待機功耗約為 15 mW，且峰值工作功耗低于 400 mW；不過，德州儀器 (TI) 推出的 TMS320C55x 等定點 DSP 的功耗更低，盡管其集成了 FFT 協(xié)處理器" title="協(xié)處理器">協(xié)處理器，且存儲器容量達 320kB，同時還支持 I/O 外設(shè)，但待機功耗僅為 0.50 mW，峰值工作功耗可為 75 mW。

表格中的大多數(shù)器件即便不是實施了所有這些低功耗特性的話也是實施了其中的大多數(shù)，因而能夠在功耗等級方面被評為“優(yōu)”。表中列為“良”的產(chǎn)品是性能最高的芯片，通常采用多個內(nèi)核，因此功耗較高也很自然。

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性能

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??? 更強大的處理能力非常重要，它不僅可實現(xiàn)全新的功能，提高單位成本或面積的通道數(shù)量，加快數(shù)據(jù)速率，增加密度，實現(xiàn)更高質(zhì)量的壓縮方法，從而實現(xiàn)特色化的終端用戶產(chǎn)品。

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??? 在考慮產(chǎn)品性能時，除了 MHz 這一指標(biāo)之外，工程師還應(yīng)考慮并行處理能力。通過不同方式集成 DSP、ARM 或協(xié)處理器的芯片可大幅提高性能。OMAP 平臺就是一個很好的范例。工程師可將代碼分組，分別運行在最適用的內(nèi)核上。即便器件僅采用一個內(nèi)核，也能支持并行處理功能。例如，低功耗定點TMS320C640x 系列就采用單顆 CPU，能夠支持300 MHz頻率并行運行的八個指令單元，因此處理性能非常高。在同樣確保低功耗預(yù)算的情況下，該器件的處理性能是市場上其他低功耗處理器的 2 倍。

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??? 除了集成處理元件之外，集成其他系統(tǒng)組件也有助于大幅提升性能。例如，足夠的片上存儲器容量意味著可在 CPU 需要頻繁導(dǎo)入并導(dǎo)出數(shù)據(jù)的情況下大幅加快代碼運行速度。

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??? 不管開發(fā)什么類型的系統(tǒng)（多媒體設(shè)備或是功能性有限但需要盡可能降低功耗的設(shè)備），設(shè)計人員都能選擇到一款恰好能夠滿足所需處理能力的處理器。

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??? 在上表中，我們可以看到性能從“中”到“優(yōu)”，主要體現(xiàn)在既定器件能讓多少個內(nèi)核并行工作、片上外設(shè)有多少上。不過，我們通常必須在性能與功耗之間做出折中平衡。

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集成

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??? 顯然，集成度與性能密切相關(guān)。如前所述，某些芯片技術(shù)使設(shè)計人員能在同一芯片上集成 DSP、ARM9 或協(xié)處理器之一或全部。

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??? 不過，從集成角度來說，我們還可在當(dāng)今器件上集成其他重要系統(tǒng)組件。集成存儲器就是一個很好的例子，其不僅有助于降低總體系統(tǒng)價格、節(jié)約系統(tǒng)功耗，而且還能簡化開發(fā)。一些低功耗處理器可直接在芯片上集成容量高達 50MB 的存儲器，如 TI 的OMAP-L1x 系列。在眾多情況下，我們都不再需要外接存儲器。

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??? 不過，當(dāng)前的存儲器可集成的外設(shè)種類越來越豐富，其中也包括模擬組件，逐次逼近寄存器 (SAR) A/D 轉(zhuǎn)換器就是一個主要的例子。比方說，SAR 可用于消費類電子設(shè)備中常見的觸摸顯示屏接口。此外，其另一個應(yīng)用例子是通用并行端口 (uPP)，可直接連接至系統(tǒng)上的各種其他部件，如高速 ADC 或 FPGA 等。就當(dāng)前的低功耗處理器而言，用戶還能通過以太網(wǎng) MAC、USB 2.0、支持海量存儲的串行 ATA（SATA）、用于WLAN 支持等 I/O 功能的 SDIO、LCD 控制器以及視頻端口接口等獲得針對網(wǎng)絡(luò)的片上支持。

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??? 在上表中，我們看到評分為“優(yōu)”的器件采用多個內(nèi)核或協(xié)處理器，而且還支持多種外設(shè)；評分為“良”的器件僅支持單內(nèi)核，但同時支持多種存儲器與外設(shè)；而評分為“中”的器件則支持較少的外設(shè)，不過它們的優(yōu)點在于功耗低，而且成本較低廉。

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上市時間

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??? 隨著消費類電子產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新速度不斷加快，產(chǎn)品壽命也從幾年縮短至幾個月，因而產(chǎn)品上市進程日益重要。某同業(yè)公司剛剛推出最新型的尖端產(chǎn)品，幾個月或是數(shù)周后立即就會有競爭對手跟進推出新產(chǎn)品，這是因為新產(chǎn)品擁有吸引消費者注意力的重要新特性。

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??? 產(chǎn)品投放市場的速度與集成度密切相關(guān)。顯然，如果組件實現(xiàn)片上集成，那么工程師所需的開發(fā)和故障調(diào)試時間就可以大幅縮短，因為不必再開發(fā)多個芯片之間協(xié)調(diào)所需的接口和數(shù)據(jù)交換機制了。此外，PC 電路板互連和不同驅(qū)動之間協(xié)作的問題也得以減少。

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??? 不過，如果芯片上集成的內(nèi)核或外設(shè)太多，工程師就需要適當(dāng)?shù)能浖ぞ咭詧?zhí)行這些組件。舉例來說，如果集成了ARM和DSP，就應(yīng)該采用良好的工具集在統(tǒng)一的編程環(huán)境中需要兩個內(nèi)核資源以便于應(yīng)用開發(fā)。此外，工程師還應(yīng)了解處理器廠商能否提供其它工具，如針對各種內(nèi)核優(yōu)化的第三方算法庫等，或者支持 Matlab 的 Simulink 或 National Instruments 的 LabVIEW 等第三方工具，以及評估/開發(fā)電路板乃至各種操作系統(tǒng)和開源選項等。這些因素對縮短開發(fā)時間、按計劃推出產(chǎn)品等而言都非常重要。

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??? 還有最后一點不容忽視，即 TMS320C674x 等浮點器件的編程復(fù)雜性較低。在眾多情況下，開發(fā)人員都能在臺式 PC 上用 Simulink 和 LabVIEW 等熟悉的工具編寫代碼，并將代碼移植到 DSP 上，而且只需做極少的修改，甚至根本無需修改。

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??? 不過總體上我們可以肯定地說，芯片的性能越高，所需的開發(fā)時間就越長。如果是需要較高級性能的復(fù)雜產(chǎn)品，則顯然在代碼的開發(fā)和故障調(diào)試方面就需要更長的時間。

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??? 最后，工程師必須始終提前考慮到為其下一代產(chǎn)品做好準(zhǔn)備。在某些市場上，標(biāo)準(zhǔn)變動非?？欤髽I(yè)又希望快速占據(jù)市場。這時，設(shè)計人員就必須構(gòu)建出能面向未來市場的產(chǎn)品，并可根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)或新增特性的要求及時實現(xiàn)升級。因此，了解處理器系列非常重要，檢驗其在軟件與引腳對引腳兼容性方面是否存在問題——如果需要提高計算能力的話，是否能在盡可能少地改動整體系統(tǒng)設(shè)計和代碼的情況下實現(xiàn)性能提高。

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??? 上表中，評分為“優(yōu)”的產(chǎn)品在軟件與硬件方面的支持都非常豐富。評分為“良”的產(chǎn)品集成度較低，需要更多片外外設(shè)或存儲器，相關(guān)的設(shè)計工作也更多一些。

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價格

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??? 在評估價格這一標(biāo)準(zhǔn)時，工程師不應(yīng)單著眼于芯片的價格。芯片本身的價格正不斷下降，以至于現(xiàn)在大多數(shù)低功耗處理器的成本都不足 15 美元。根據(jù)器件的具體特性，價格可降低至 4 美元。對消費類應(yīng)用來說，每個組件的成本都很關(guān)鍵。但對于基礎(chǔ)局端或商業(yè)應(yīng)用來說，單個組件的成本并不太重要，擁有成本與效率才是更應(yīng)關(guān)注的問題。

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??? 工程師更應(yīng)關(guān)注整體的系統(tǒng)成本問題。反過頭來還以存儲器為例，如果產(chǎn)品的所有算法運行都采用片上存儲器，那么僅通過減少不必要的外部存儲器芯片就能節(jié)約1到2美元。如果集成了諸如 SATA、以太網(wǎng)、存儲器、USB 2.0 以及 ARM9 等，就能顯著節(jié)約系統(tǒng)成本（可高達 9 美元），如在討論集成章節(jié)時提到的 OMAP-L1X 系列或其他高集成度外設(shè)。

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??? 除了芯片的價格之外，工程師還應(yīng)評估開發(fā)的簡易性，這包括了軟硬件開發(fā)工具、技術(shù)支持、培訓(xùn)、第三方支持、文檔、工程設(shè)計時間/開銷以及 NRE 開發(fā)費用等。加速開發(fā)進程有助于實現(xiàn)更高質(zhì)量的終端產(chǎn)品，因為寶貴的時間與金錢可用于實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，而不是花費在構(gòu)建設(shè)計基礎(chǔ)局端上。

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??? 因此，工程師不光要考慮開發(fā)電路板與仿真器的價格，還要考慮其質(zhì)量，以及能多快地提高開發(fā)速度。高質(zhì)量 IDE 與編譯器使設(shè)計人員能夠更全面地了解設(shè)計情況，并加速產(chǎn)品上市進程。工程師應(yīng)關(guān)注哪些硅芯片廠商能提供免專利費的操作系統(tǒng)，哪些第三方合作伙伴能提供經(jīng)過經(jīng)驗證的、可直接投入使用的代碼，如在基于 DSP 的設(shè)計中用到的編解碼器等，此外，還應(yīng)注意可以幫助設(shè)計人員快速啟動設(shè)計工作的技術(shù)框架。

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??? 此外，板面布局與制造方面的成本也不容忽視。重要的不僅在于器件數(shù)量，還包括器件的工藝間距。小間距器件的系統(tǒng)級板面布局與制造更加昂貴。

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??? 在上表中，我們看到，價格通常與內(nèi)核數(shù)據(jù)以及片上外設(shè)成反比。集成組件越多，器件的價格顯然也就越貴，設(shè)計工作的強度也越大，因為這些產(chǎn)品通常適用于最先進的便攜式系統(tǒng)。舉例來說，同時集成 了DSP、ARM 以及協(xié)處理器的高性能應(yīng)用處理器是唯一被評為“中”的門類。

低功耗應(yīng)用

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??? 即便擁有上表的幫助，我們也很難為既定應(yīng)用選出最適合的器件，總免不了要做出一定的設(shè)計折中平衡。不過，我們可以簡單探討一下應(yīng)用要求，或許可以提供一些指導(dǎo)。

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??? 要求低功耗特性的應(yīng)用種類越來越多，我們可將這些應(yīng)用分為以下幾個大類：

• 采用插入式電源或 USB 供電的產(chǎn)品，如車載免提套件、GPS dongle、觸摸屏或喇叭擴音器等；
• 消費者希望電池能工作至少一整天的應(yīng)用，如無線麥克風(fēng)、樂器、降噪耳機、無線打印機，乃至多參數(shù)便攜式醫(yī)療儀器等；
• 電池可工作長達兩個星期的應(yīng)用，如錄音機、電子書、門禁指紋驗證或單參數(shù)便攜式醫(yī)療儀器等。

??? 還有一種應(yīng)用分類方法就是根據(jù)功能性進行區(qū)分。便攜式設(shè)備會考慮到高精確度問題。比方說，樂器或音頻產(chǎn)品會需要較廣的動態(tài)范圍。這種精確度與動態(tài)范圍通常需要采用 TI TMS320C674x DSP 這樣的浮點處理器，這是一款業(yè)界功耗最低的產(chǎn)品，功耗可低至 15 mW。

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??? 現(xiàn)在我們不妨考慮一款采用豐富特性 GUI 的應(yīng)用。這時我們應(yīng)當(dāng)選擇一款支持 ARM處理功能的器件。由于具備諸如 OMAP-L1x 這種集成了 ARM 和 DSP 功能的產(chǎn)品，我們可以獲得足夠強大的功能，以便既能運行 GUI，又能滿足復(fù)雜的處理任務(wù)的要求。

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??? 消費者會要求某些產(chǎn)品具備超長的電池使用壽命，如便攜式錄音機／播放器、電子書閱讀器、便攜式麥克風(fēng)甚或是家用腕表式醫(yī)療儀器等。支持低功耗待機模式的 C550x 等處理器能高效利用深度休眠模式（功耗低至 6.8 μW）與待機模式（功耗低至 0.5 mW），因而可實現(xiàn)數(shù)周的電池使用壽命。

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總結(jié)

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??? 如本文所述，低功耗處理器的所有選擇參數(shù)都是密切相關(guān)的。通常說來，性能越高，功耗就越大，不過現(xiàn)在，產(chǎn)品功耗已經(jīng)普遍降低，因此無論您有何種應(yīng)用需求，幾乎都能找到一款適用的低功耗處理器。

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??? 如欲了解更多詳情，敬請訪問：http://focus.ti.com.cn/cn/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=dsp§ionId=2&tabId=2232&familyId=1622。