人類從來沒有像今天這樣關(guān)切環(huán)境和氣候的變化，對自然的無止境索取已經(jīng)超過了地球的承受極限，而能源的消耗是造成當(dāng)今世界環(huán)境和氣候變化的罪魁禍?zhǔn)住Ｌ岣吣苄Ы档湍芎?、減少污染排放成為全球各國政府的社會承諾，為此全球主要的國家和地區(qū)均出臺了各種越來越苛刻的能效標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)監(jiān)管措施。美國政府今年正式針對冰箱等白色家電節(jié)能產(chǎn)品，實(shí)施最大補(bǔ)貼幅度約200美元的購買補(bǔ)貼政策，并正在擬定嚴(yán)格的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)草案；中國政府正在或已經(jīng)制定了空調(diào)、彩電、小家電等新的能效標(biāo)準(zhǔn)，廠家面臨前所未有的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)升級壓力。事實(shí)上，類似的政策和標(biāo)準(zhǔn)在歐洲和日本等全球主要的國家和地區(qū)紛紛出臺，降低能耗已經(jīng)成為全人類必須解決的課題。

電子產(chǎn)品作為能耗大戶是開展節(jié)能的主戰(zhàn)場，各種電子產(chǎn)品運(yùn)行的電能消耗不僅加深了電能緊缺的現(xiàn)狀，而且數(shù)量龐大的便攜式電子產(chǎn)品每年耗用的各種電池對環(huán)境也造成了巨大的壓力。據(jù)中國化學(xué)與物理電池協(xié)會2009年6月公布的數(shù)據(jù)，中國市場2008年的電池銷量超過290億節(jié)，每年產(chǎn)生的廢舊電池達(dá)數(shù)百萬噸。降低電子產(chǎn)品的能耗已經(jīng)不僅是降低用戶產(chǎn)品使用成本，延長電池待機(jī)時間等與用戶直接利益相關(guān)的話題，更是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造企業(yè)所應(yīng)承擔(dān)的社會責(zé)任。

另一方面，當(dāng)前電子產(chǎn)品同樣面臨技術(shù)和市場發(fā)展新趨勢所帶來的低功耗設(shè)計(jì)壓力。以便攜式電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)為例，娛樂終端、通信終端以及各種專用功能的便攜式產(chǎn)品的功能界限日益模糊，越來越多的應(yīng)用系統(tǒng)要求音頻、視頻和通訊處理能力，多種功能集成、多種外設(shè)接口、大屏幕顯示、全天候在線等要求，以及用戶本身對產(chǎn)品不斷提高的待機(jī)時間要求，都給產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師帶來直接的設(shè)計(jì)壓力。

傳統(tǒng)的處理器的局限性

這種壓力已經(jīng)持續(xù)在電子產(chǎn)業(yè)鏈中產(chǎn)生積極的推動力，處于產(chǎn)業(yè)鏈頂端的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司最直接感受到這種壓力，同時也是推動電子產(chǎn)品低功耗設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢的主力。這些企業(yè)在降低集成電路產(chǎn)品功耗上堪稱不遺余力，獨(dú)具創(chuàng)新低功耗設(shè)計(jì)策略和技術(shù)的產(chǎn)品層出不窮。

對于嵌入式設(shè)備來說，處理器是嵌入式系統(tǒng)功耗的主要來源—對于手持設(shè)備而言，它幾乎占據(jù)了除顯示屏以外的整個系統(tǒng)功耗的一半以上，所以選擇合適的處理器對于最后的系統(tǒng)功耗大小有決定性的影響。RSIC微控制器和DSP都已在這些系統(tǒng)中得到廣泛使用。盡管傳統(tǒng)上RSIC處理器可以高效地處理控制流，DSP可很好地處理數(shù)據(jù)流(如音頻應(yīng)用)。由于目前很多嵌入式系統(tǒng)對控制和媒體處理都有要求，工程師大多在電路板或SoC中以某種形式把 DSP和MCU結(jié)合在一起，因?yàn)閱我坏?span lang="EN-US">DSP或者MCU處理器很難滿足當(dāng)前系統(tǒng)要求的處理能力或指令特性。

         表1：幾種常用處理器平臺主要特性比較。

美國ADI公司作為全球低功耗半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，其低功耗、高性能的模擬產(chǎn)品為全球電子產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了極其重要的貢獻(xiàn)，而獨(dú)具優(yōu)勢的Blackfin匯聚式處理器系列更為核心平臺提供了低功耗的引擎：基于單一的架構(gòu)，這種處理器致力于對復(fù)雜的需實(shí)時處理的媒體數(shù)據(jù)流和通常由RISC處理器完成的面向控制的任務(wù)提供一個優(yōu)化的方案，融合數(shù)字信號處理器與微控制器的匯聚式特性在降低系統(tǒng)功耗上具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

匯聚式架構(gòu)的低功耗基因

（一）獨(dú)特架構(gòu)建立低功耗硬件平臺

Blackfin處理器基于由 ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)（MSA），它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加（MAC）信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。

這種數(shù)字信號處理器與微控制器相結(jié)合的架構(gòu)特征使得Blackfin處理器具備了低功耗的基因：能夠在信號處理和控制處理應(yīng)用中均發(fā)揮上佳的作用，在當(dāng)前許多應(yīng)用場合中，Blackfin可以免除增設(shè)單獨(dú)的異構(gòu)處理器的需要；另外，與同級的其它處理器相比，Blackfin極高的性能確保了作為處理器平臺的性能裕量，在滿足一般的數(shù)字處理及控制處理的同時，常常還有足夠的性能裕量來滿足基于軟件的功能擴(kuò)展需求，避免增加額外的硬件帶來的功耗增加。

當(dāng)前大部分嵌入式設(shè)備中，音視頻、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和專用算法的處理缺一不可，這正是融合數(shù)字信號處理器和微控制器特性于一身的匯聚處理器所擅長的，匯聚式處理器可以避免同級方案中的多處理器芯片產(chǎn)生額外功耗的弊端。在圖像編解碼的部分，Blackfin是軟解壓方式，它的可編程架構(gòu)特性可以更為靈活的支持不同的壓縮算法；Blackfin對各種協(xié)議棧具有很好的支持，提供大量的相關(guān)庫資源；在專用算法上，同樣良好的生態(tài)體系為工程師提供了大量的專用算法軟件模塊，Blackfin強(qiáng)大的處理能力確保各種算法的實(shí)現(xiàn)性能。所有這些都確保您的設(shè)計(jì)能以單處理器在滿足產(chǎn)品功能、性能的條件下，在重要的低功耗特性上超越競爭對手。

以當(dāng)前熱門電子產(chǎn)品數(shù)碼相框?yàn)槔?/span>當(dāng)前大部分中低端產(chǎn)品方案采用“150MHz以下主頻處理器+特定格式媒體硬件解碼器”雙芯片硬件平臺，要實(shí)現(xiàn)WiFi無線連接、通信或數(shù)據(jù)加密等擴(kuò)展功能時，還必須增加對應(yīng)的硬件芯片，不僅增加了BOM成本、設(shè)計(jì)難度，更犧牲了系統(tǒng)功耗，這對于便攜式應(yīng)用來說是不可容忍的。

（二）動態(tài)電源管理

Blackfin處理器的一個顯著特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了動態(tài)電源管理(DPM)，從而使Blackfin器件始終具備最大的電源效率。所有的 Blackfin 處理器均采用了多種節(jié)能技術(shù)，其中動態(tài)電源管理特性的節(jié)能意義明顯。Blackfin處理器基于一種選通時鐘內(nèi)核設(shè)計(jì)，可按照逐條指令來選擇性地切斷功能單元的電源。Blackfin 處理器還支持多種針對所需CPU動作極少（或根本不需要 CPU 動作）期間的斷電模式。值得特別一提的是，Blackfin處理器還支持一種自含動態(tài)電源管理電路，借助該電路即可對工作頻率和電壓進(jìn)行獨(dú)立控制，以滿足正在執(zhí)行的算法的性能要求。這些轉(zhuǎn)換可以在一個 RTOS 或用戶固件的控制之下連續(xù)出現(xiàn)。大多數(shù) Blackfin 處理器都提供了片上內(nèi)核穩(wěn)壓電路，并可在低至0.8V 的電壓條件下工作，能極大地降低系統(tǒng)的功耗。

為了達(dá)到最大的能源效率，同時以低功耗實(shí)現(xiàn)最高性能，Blackfin處理器采用了各種高級設(shè)計(jì)技術(shù)，包括：可編程電壓與頻率調(diào)節(jié)、時鐘周期分辨率動態(tài)時鐘門控、支持深度睡眠與休眠模式的多電源域、可實(shí)現(xiàn)總線激活能量最小化的高代碼密度、用于實(shí)現(xiàn)最佳性能與電源效率的混合閾值電壓晶體管、實(shí)現(xiàn)最大電源效率的完全定制的處理器內(nèi)核、使用靈活的硬件加速器，以及支持mSDRAM以實(shí)現(xiàn)最小板級功耗。

Blackfin處理器具備一個功能強(qiáng)大的電源管理系統(tǒng)。通過控制內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器中的鎖相環(huán)路，可以設(shè)置多種不同的功耗和性能選項(xiàng)。對于任何處理器來說，其功耗均為工作頻率和電壓平方的函數(shù)。通過控制工作頻率和電壓，可以控制處理器的功耗。然而，對PLL和電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行編程沒有想象的那么簡單，需要對寄存器進(jìn)行編程、生成中斷、等待PLL穩(wěn)定下來，這其實(shí)是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，也非常容易出錯。利用Blackfin處理器動態(tài)電源管理服務(wù)程序提供的函數(shù)，只要調(diào)用這個函數(shù)就可以改變系統(tǒng)和內(nèi)核的時鐘頻率、改變處理器的運(yùn)行模式。用戶還可以改變內(nèi)核時鐘頻率和系統(tǒng)時鐘頻率，當(dāng)內(nèi)核和系統(tǒng)時鐘頻率改變后，電源管理服務(wù)程序?qū)⒆詣诱{(diào)節(jié)電壓電平，以便盡可能最大限度地節(jié)省功耗。

例如，如果用戶選擇了一個較低的內(nèi)核CCLK和系統(tǒng)SCLK頻率設(shè)置，那么，電源管理服務(wù)程序自動將電壓電平降至該頻率設(shè)置下的最低值。相反地，如果要最大限度地提高處理器的性能，則可以調(diào)高其CCLK和SCLK設(shè)置，從而使服務(wù)程序自動調(diào)高電壓電平。同樣地，也可以通過控制電壓來調(diào)節(jié)時鐘頻率設(shè)置，例如將電壓設(shè)定為0.9伏，通過一個函數(shù)調(diào)用即可將CCLK和SCLK設(shè)置為0.9伏電壓下的最高值。此外，不論用戶在什么時候改變了任何時鐘頻率設(shè)置，電源管理服務(wù)程序都會自動調(diào)用EBIU服務(wù)程序，對SDRAM進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

圖1：兩種內(nèi)核的工作電壓、工作頻率及功耗比較。

“定制化”特性強(qiáng)化低功耗優(yōu)勢

Blackfin處理器是專為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用需求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)的新型16～32位嵌入式處理器，大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)特讓您的產(chǎn)品的低功耗性能達(dá)到極致。

Blackfin的幾十個DMA通道和可靈活配置的高速緩存很好地滿足了視頻處理對大運(yùn)算量、高數(shù)據(jù)吞吐率的要求，十級流水線使得Blackfin有很強(qiáng)的指令并行執(zhí)行能力；4個視頻算術(shù)運(yùn)算單元和視頻象素指令集大大加速了視頻運(yùn)算速度，一條視頻象素操作指令可以在一周期之內(nèi)完成4對視頻數(shù)據(jù)分量的加法運(yùn)算、減法運(yùn)算、加減混合運(yùn)算、取平均值，或者相減并求絕對值等11種視頻象素運(yùn)算；零開銷循環(huán)控制指令讓系統(tǒng)中的大量循環(huán)跳轉(zhuǎn)不再消耗任何處理器的時鐘周期；Blackfin處理器架構(gòu)還包括專為增強(qiáng)視頻處理應(yīng)用中的性能而定義的指令……

目前，對功耗的研究主要集中在硬件解決方案上，而軟件研究方面很少。事實(shí)證明，在硬件設(shè)計(jì)和選型確定后，功耗的高低與軟件設(shè)計(jì)有很大的關(guān)聯(lián)性，軟件設(shè)計(jì)和編程質(zhì)量的好壞，極大地影響著最終產(chǎn)品的功耗水平。ADI公司為Blackfin處理器提供業(yè)界一流的工具、初學(xué)套件與支持，包括熟知的ADI CROSSCORE®軟件工具，包括VisualDSP++®集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite®評估版硬件。ADI還提供大量經(jīng)過驗(yàn)證的優(yōu)化算法IP、軟件模塊庫，這對于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)提供了保障，從而在軟件設(shè)計(jì)上發(fā)揮系統(tǒng)的低功耗優(yōu)勢。

ADI是高性能傳感器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器等產(chǎn)品領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，基于Blackfin的硬件平臺方案還為企業(yè)整合這些高性能器件提供了無縫整合平臺。以病人監(jiān)護(hù)和診斷用醫(yī)療設(shè)備提供商UTAS最新推出的便攜式病人監(jiān)護(hù)儀產(chǎn)品UM300為例，該產(chǎn)品采用的Blackfin BF561集成有針對應(yīng)用優(yōu)化的片上外設(shè)，這些外設(shè)可直接連接UM300內(nèi)的ADI AD7190Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器和AD7689 PulSAR® ADC。UM300系統(tǒng)還使用了ADI的AD8605單電源運(yùn)算放大器、AD8220結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET）輸入儀表放大器、ADP3335精密穩(wěn)壓器和ADuM2401 iCoupler®四通數(shù)字隔離器，從而形成了一個無縫連接的高性能元器件平臺，同時實(shí)現(xiàn)了低功耗優(yōu)化。

從300 MHz到750 MHz的處理器頻率、單核或雙核（BF561）架構(gòu)、各種接口和功能組合，具有多種片上存儲器容量、外設(shè)、封裝以及價格，Blackfin處理器家族多達(dá)近30款產(chǎn)品為最具針對性地滿足您的應(yīng)用需求提供了廣泛的選擇，從而確保在滿足系統(tǒng)功能和性能條件下獲得低功耗優(yōu)勢。

他們的選擇不僅因?yàn)楦咝阅?span lang="EN-US">

愛國者Aigo E898與F965R是第一批能夠顯示RealVideo與RMVB格式編碼的完全D1廣播分辨率視頻文檔的便攜式媒體播放器。愛國者采用了為移動應(yīng)用而優(yōu)化的Blackfin 52x系列處理器。BF52x處理器集高性能、高功率效率以及系統(tǒng)集成性于一體，實(shí)現(xiàn)了高度優(yōu)化的設(shè)計(jì)，其功耗僅為0.16 mW/MHz，工作頻率高達(dá)600 MHz。之所以選擇Blackfin處理器并不僅因?yàn)檫@些原始性能，Blackfin處理器解決方案之所以脫穎而出是因?yàn)樗軌蛘{(diào)制時鐘頻率和電源電壓，無論是解碼流媒體時的最大性能還是等待用戶選擇下一項(xiàng)任務(wù)的待機(jī)模式，BF52x處理器都能提供同級方案中最低的功耗水平，保證產(chǎn)品最長的電池使用壽命。

位于以色列特拉維夫的APM Automation Solutions公司最新發(fā)布了其三維測量設(shè)備3DLevelScanner™，在測量精度和設(shè)備可用性方面帶來了革命性的提高。為了將這種新的精度和性能水平引入市場，APM公司在早期的開發(fā)過程中就選擇了ADI公司的Blackfin BF534作為其設(shè)備的核心處理器，這是因?yàn)樵撎幚砥鞒司邆涑錾奶幚硇阅?、最佳的信號處理能力，還兼具低功耗優(yōu)勢，通過采用BF534，該設(shè)備將平均功耗控制在1W左右，從而符合了重要的工業(yè)低功耗標(biāo)準(zhǔn)。

美國AValon RF公司推出針對戰(zhàn)地應(yīng)用的空時分集接收機(jī)，該產(chǎn)品實(shí)質(zhì)上屬于軟件無線電產(chǎn)品，需要一個高性能處理器來處理SDR功能，并負(fù)責(zé)接收器空時分集處理。這種處理器的功耗必須低，以便能夠使用較小的電池，從而獲得客戶可以佩戴的更輕巧、更舒適的產(chǎn)品。為此，他們選擇了Blackfin處理器。

醫(yī)療設(shè)備的便攜化、家用化是未來醫(yī)療設(shè)備市場的強(qiáng)勁推動力，而無疑低功耗將是推動這種發(fā)展趨勢的關(guān)鍵技術(shù)特性，Blackfin處理器的低功耗特性正在贏得醫(yī)療設(shè)備企業(yè)的青睞。如前文所述，UTAS對Blackfin的成功運(yùn)用還擴(kuò)展到了其它UTAS系統(tǒng)，包括UCARD 100心電圖儀和USP 100注射泵。這兩個產(chǎn)品都使用了Blackfin BF533處理器實(shí)現(xiàn)高性能的生物醫(yī)學(xué)信號處理。Blackfin BF561和BF533都擁有可以降低處理器級和系統(tǒng)級功耗的眾多創(chuàng)新架構(gòu)特性，包括獨(dú)立的動態(tài)功率管理機(jī)制。這些特性幫助UTAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)師盡可能地延長了產(chǎn)品的電池壽命，這正是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品便攜化的關(guān)鍵。

指紋識別是當(dāng)前一種熱門的生物識別技術(shù)，特別適用于諸如PDA、膝上型電腦和手機(jī)等便攜式設(shè)備的安全措施，因而要求方案具有低功耗特點(diǎn)。全球領(lǐng)先的指紋識別技術(shù)解決方案提供商AuthenTec就采用了BF531處理器，預(yù)處理采集到的指紋，提供頻率、振幅和相位等修改數(shù)據(jù)，為模式匹配算法提供盡可能最佳的圖像。基于BF531處理器的解決方案的功耗僅為同級嵌入式處理器的1/3到1/2之間，因此，該解決方案對此類對功率要求極為苛刻的應(yīng)用具有極大的吸引力

同樣，對于視頻監(jiān)控應(yīng)用來說，由于監(jiān)控設(shè)備通常都是一周7天，每天24小時運(yùn)行的，低功耗也很重要。目前基于Blackfin系列處理器的各種視頻監(jiān)控設(shè)備正在全球獲得廣泛的部署。

圖2：基于BF52x處理器的愛浦多移動數(shù)字電視方案框圖。

低功耗是ADI永遠(yuǎn)的產(chǎn)品策略

ADI公司通過提供集成電路，尋求改善人類生活質(zhì)量并保護(hù)環(huán)境的方法。這些集成電路產(chǎn)品被廣泛用于檢測和控制太陽能與風(fēng)能系統(tǒng)、海水淡化工廠以及核電站；智能計(jì)量技術(shù)促進(jìn)更高效的能源利用。此外，每一代器件的功耗都比上一代的功耗不斷降低，這都有助于我們實(shí)現(xiàn)更綠色的環(huán)境。

作為低功耗先進(jìn)模擬器件全球領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，ADI非常清楚低功耗對當(dāng)前電子產(chǎn)品的重要意義，同時其先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝能力、低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)不斷促進(jìn)了Blackfin處理器的低功耗特性的快速提升。ADI將不斷通過最新的CMOS深亞微米工藝、更深的流水線、多內(nèi)核、每個核心更多的計(jì)算單元，以及充分利用信號處理加速引擎，繼續(xù)提高Blackfin系列的性能，增強(qiáng)它們在性價比和性能功耗比方面的領(lǐng)先地位。低功耗是ADI永遠(yuǎn)的產(chǎn)品策略，同時也是ADI堅(jiān)持履行的社會責(zé)任。