消費(fèi)者對采用多媒體嵌入式處理器產(chǎn)品的需求迅速增長，這既要求提高性能又要求降低功耗。但是高性能處理必須增加計算復(fù)雜度并加快時鐘速率，如果采用權(quán)宜之計的節(jié)省功耗設(shè)計方案，是很難實現(xiàn)的。我們需要的是一種具有戰(zhàn)略意義的方法來管理功耗，以便在具體的嵌入式應(yīng)用中優(yōu)化性能與功耗的關(guān)系。利用Blackfin數(shù)字信號處理器（DSP）系列產(chǎn)品固有的動態(tài)電源管理能力，可以實現(xiàn)這樣的方法。
Blackfin DSP是定點(diǎn)、雙16位MAC或雙40位ALU數(shù)字信號處理器。它們非常適合于對功耗敏感的多媒體應(yīng)用，因為它們支持一種多級的電源管理方法，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求調(diào)整性能。下面我們先來看看嵌入式系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵的功耗問題考慮，再看看Blackfin處理器系列如何采樣動態(tài)電源管理功能來解決這些問題。
1. 改變頻率和電壓
現(xiàn)代DSP通常適合用于采用CMOS 場效應(yīng)管（FET）開關(guān)的一種處理過程，在穩(wěn)定的狀態(tài)期間要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)斷（漏電流除外）。靜態(tài)功耗（處理器空閑時的靜態(tài)功耗）通常要比動態(tài)功耗低得多，動態(tài)功耗是當(dāng)器件頻繁地開關(guān)并且電壓擺動時由于FET負(fù)載電容以極高的開關(guān)頻率充放電引起的。
在
器件的等效負(fù)載電容中存儲的電荷量（Q）等于電容乘以其兩端所存儲的電壓（也就是DSP的內(nèi)核電源電壓，Vcore），
Q = CVcore，
因為給此電容充電的器件電流定義為電荷對時間的變化率，即動態(tài)電流（Idyn），由下式給出
Idyn ＝ dQ/dt ＝ C（dVcore/dt）
電容器電壓隨時間的變化率dVcore/dt是電容充電速度或放電速度的一種度量。對于給定的時鐘頻率（F），因為最快完成一次充電或放電應(yīng)發(fā)生在一個時鐘周期內(nèi)。因此
dVcore/dt = Vcore(F)
Idyn = C(dVcore/dt) = CVcoreF
最后，動態(tài)功耗與Vcore×Idyn成正比，或者
Pdyn ∝ CVcore2F
因此很顯然，動態(tài)功耗與工作電壓的平方成正比，與工作頻率成正比。所以，如果降低F可以線性地降低動態(tài)功耗，而降低Vcore可以呈指數(shù)地降低功耗（見圖1）。
考慮圖1中的應(yīng)用組合了三種不同的DSP功能，所以它們具有完全不同的性能需求：
F0(x) 1.5 V 300 MHz
F1(y) 1.0 V 100 MHz
F2(z) 1.3 V 225 MHz
例如，F(xiàn)0(x)可能是一種視頻處理算法，F(xiàn)1(y)可能是某種監(jiān)視模式（其中DSP采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行很少的處理），而F2(z)可能是將壓縮視頻流送出串行端口的過程。
當(dāng)DSP長時間處于監(jiān)視活動中時，僅僅改變頻率（不改變電壓）對功耗敏感的應(yīng)用中是很有用的。也就是說，如果DSP正在等待一個外部觸發(fā)，它就不需要以最高頻率運(yùn)行。
但是，在某些電池供電應(yīng)用中，簡單地改變頻率對于節(jié)省功耗可能還不夠。例如，如果某應(yīng)用運(yùn)行了三部分的代碼，降低其中任何一部分的工作頻率都意味著這部分代碼會花更長的時間去運(yùn)行。但是如果DSP運(yùn)行時間加長的話，當(dāng)三部分代碼都完成時，消耗的總功率是一樣的。例如，如果頻率降低二分之一，代碼會執(zhí)行兩倍長的時間，所以就不能節(jié)省凈功耗。
另一方面，通過降低電壓和頻率可以節(jié)省相當(dāng)大的功耗。節(jié)省的功耗可以用下式來表征：
PR/PN=(FCR/FCN)(VDDR/VDDN)2(TFR/TFN)
其中：
* PR/PN表示降低功耗與標(biāo)稱功耗的比率
* FCN表示標(biāo)稱內(nèi)核的時鐘頻率
* FCR表示降低內(nèi)核的時鐘頻率
* VDDN表示標(biāo)稱內(nèi)部電源電壓
* VDDR表示降低內(nèi)部電源電壓
* TFR/表示以FCR頻率運(yùn)行的持續(xù)時間
* TFN表示以FCN頻率運(yùn)行的持續(xù)時間
例如，圖2示出了具有如下特性的一種情況：
* FCN = 300 MHz
* FCR = 100 MHz
* VDDN = 1.5 V
* VDDR = 1.0 V
* TFR = 3
* TFN = 1
因此
(PR/PN) = (100/300)(1.0/1.5)2 ×(3/1) = 0.44（功耗節(jié)省了56%）
G1和G2是在DSP上運(yùn)行的函數(shù)。
例2用了雙倍運(yùn)行時間，但是節(jié)省了功耗56％。
兩例中的G1工作條件相同，但是G2的工作電壓分別為1V和1.5V，因此功耗下降比率為 (1.0/1.5)2。
因為Blackfin DSP不僅具有可設(shè)置的工作頻率，而且允許內(nèi)核電壓根據(jù)頻率變化而變化，所以以降低的頻率和降低的電壓運(yùn)行某一部分代碼時可以節(jié)省功耗，即使執(zhí)行時間會變長。在ADSP-21532上可以自動進(jìn)行電 壓頻率的轉(zhuǎn)變，而對于ADSP-21535,需要遵循一種簡單的順序。當(dāng)然，重要的是記住，開發(fā)商必需保證在任何系統(tǒng)時鐘改變期間與外部系統(tǒng)連接的外圍通道的完整性。
一個視頻電話應(yīng)用示出了如何通過改變工作頻率和工作電壓來顯著延長電池壽命的能力。例如，如果僅僅在視頻連接期間需要最高性能（最大內(nèi)核時鐘頻率），那么在使用電話僅用于語音處理的時候可以將內(nèi)核頻率降低到某個預(yù)先設(shè)定值。對于僅注重附加功能而對時間不敏感的操作（例如，個人管理器），可以進(jìn)一步降低頻率。在Blackfin DSP上每一次改變PLL頻率都在40ms內(nèi)完成。
Blackfin 時鐘產(chǎn)生單元
時鐘產(chǎn)生單元包括鎖相環(huán)路（PLL）和相關(guān)的控制電路，是Blackfin DSP中動態(tài)電源管理的一個完整單元。其中的PLL是高度可編程的，從而允許用戶動態(tài)地控制處理器的特性和功耗。
圖3示出ADSP-21532時鐘產(chǎn)生單元的簡單框圖。輸入晶體或振蕩器信號（10MHz~33MHz）施加到CLKIN引腳。用一個可選的1倍~31倍倍頻器作用這個信號以便產(chǎn)生VCO頻率。然后，獨(dú)立的A驅(qū)動器和B驅(qū)動器各自產(chǎn)生內(nèi)核時鐘（CCLK）和系統(tǒng)或
外圍設(shè)備時鐘（SCLK）頻率?？刂七壿嫳ＷC系統(tǒng)時鐘頻率不會超過內(nèi)核時鐘頻率。
采用本方法的最大優(yōu)勢在于CCLK和SCLK在工作期間可以改變，幾乎沒有什么時間周期開銷。因此，設(shè)計工程師無需兩次考慮改變時鐘頻率以便滿足其代碼不同部分的不同性能需求。從設(shè)計工程師的角度來看，結(jié)果可以線性地節(jié)省動態(tài)功耗，不會增加任何實現(xiàn)上的成本。
時鐘產(chǎn)生單元的另一個特點(diǎn)就是它可以被旁路以便允許CLKIN信號直接連接到CCLK。這種能力允許在不頻繁地工作期間采用很低頻率的CCLK，以便進(jìn)一步降低總功耗。
2. 靈活的電源管理模式
許多應(yīng)用都包含一組工作模式，其顯著區(qū)別在于不同的處理需求?？紤]圖4所示的系統(tǒng)，其中電池供電的傳感器包含一個DSP，用作中央處理器。DSP的其中某個外圍設(shè)備可能用于采樣周圍環(huán)境的參數(shù)。在這種需要極低處理功耗的模式A中，該DSP可能只是讀取零星的遙測數(shù)據(jù)分組。當(dāng)它已經(jīng)讀取了足夠的數(shù)據(jù)可以調(diào)用某種計算的算法時，該DSP隨后就進(jìn)入模式B——需要大量處理的計算模式。還有可能同時存在模式C，以便在沒有傳感器信號和不需要處理時提供超低功耗。
Blackfin DSP具有四種不同的工作模式（對應(yīng)于四種不同的功耗分析），提供可選的性能和功耗特性。表1總結(jié)了每種模式的工作特性。
全速工作模式
全速工作模式是Blackfin處理器的最高性能模式。在這種工作狀態(tài)下，處理器和所有允許的外圍設(shè)備都以全速運(yùn)行。PLL是允許的，所以CCLK以CLKIN的倍頻運(yùn)行。
有效工作模式
在有效工作模式下，PLL允許，但是被旁路，所以CCLK直接來自于CLKIN。因為CLKIN源自外部振蕩器輸入，不會超過33 MHz，所以這種模式可以顯著節(jié)省功耗。此時系統(tǒng)時鐘（SCLK）頻率也會降低，因為它永遠(yuǎn)不會超過CCLK。在這種模式下PLL被繞開，所以改變PLL的倍頻系數(shù)是很安全的；但是，這種改變要直到DSP回到全速工作模式下才能奏效。在有效工作模式下， PLL不僅可以被旁路——它也可以被禁止，以便進(jìn)一步節(jié)省功耗。
休眠模式
休眠模式由于禁止CCLK使得DSP內(nèi)核空閑，所以顯著降低了功耗。但是，SCLK仍然是允許的，因此二級存儲器L2和外圍設(shè)備中仍然可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。為了從休眠模式中退出，Blackfin提供一種DSP內(nèi)核喚醒功能，其工作獨(dú)立于內(nèi)核的事件控制器。
深度休眠模式
深度休眠模式由于禁止PLL, CCLK和SCLK，所以最大地節(jié)省功耗。在這種模式下，處理器內(nèi)核和所有的外圍設(shè)備都被禁止，除了實時時鐘（RTC）以外。在深度休眠模式下，DEEP_SLEEP輸出引腳是可用的，以便允許外部功耗模式控制。深度休眠模式只能通過RTC中斷或者硬件復(fù)位事件才能退出。RTC中斷使得處理器轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Чぷ髂Ｊ?；硬件?fù)位起動硬件復(fù)位時序。
3. 獨(dú)立的功耗域
Blackfin DSP支持多種功耗域，包括專用的鎖相環(huán)功耗域，可用很小的鈕扣電池供電的實時時鐘（RTC），以及用于各種外圍設(shè)備的獨(dú)立域。內(nèi)核處理器也有自己的功耗域。采用多種功耗域提供最大的靈活性，同時保證與市場上可提供的多種器件之間的直接連通性，例如SDRAM和SRAM存儲器。如圖5所示，獨(dú)立的功耗域允許改變Blackfin DSP的內(nèi)核電壓，無需中斷與外部器件的連接。這是一個很重要的優(yōu)勢，因為——如上面提到的——處理器消耗的功率與其工作電壓的平方成正比。
4. 采用高效的處理器體系結(jié)構(gòu)
對于給定應(yīng)用降低功耗的另外一種經(jīng)常被忽視的方法是為該應(yīng)用選擇一種高效的處理器體系結(jié)構(gòu)。 這種結(jié)構(gòu)特性，例如特殊指令和快速的存儲器結(jié)構(gòu)，由于減少總的算法執(zhí)行時間而顯著降低功耗。另外，注重功耗的應(yīng)用使高效的結(jié)構(gòu)化算法極為重要，從而利用固有的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，例如硬件環(huán)路緩沖和指令數(shù)據(jù)高速緩存。重要的是應(yīng)該認(rèn)識到復(fù)雜的算法通常會增加功耗，因為它們會占用較多的資源。如果算法經(jīng)過優(yōu)化，它就會執(zhí)行較少的指令。完成算法所有步驟的速度越快，內(nèi)核電壓和頻率就會降低得越快。
在支持可以選擇禁止無用功能單元（例如片內(nèi)存儲器、外圍設(shè)備、時鐘等）的體系結(jié)構(gòu)中，可以進(jìn)一步降低功耗。
Blackfin DSP允許動態(tài)安排每個外圍設(shè)備的時鐘輸入時序，從而提供附加的功率控制能力。這樣就允許更加精細(xì)地控制功耗。而且，內(nèi)部時鐘僅僅連接到器件的允許工作部分。例如，在ADSP-21535中，256kB的片內(nèi)二級存儲器L2由8個32kB的存儲器組構(gòu)成。這些存儲器組僅當(dāng)它們被訪問時才提供時鐘，這個特性可以顯著節(jié)省功耗。
5. 分析工具
還有另外一種優(yōu)化功耗的方法，Blackfin VisualDSP++工具套件可以分析應(yīng)用程序以便確定一種算法每個部分的精確處理需求。這種分析工具允許系統(tǒng)設(shè)計工程師實時地定量分
析任何給定代碼段需要消耗的時間。如果在電池供電應(yīng)用中采用這種方法，那么其內(nèi)核和系統(tǒng)頻率，以及內(nèi)核電壓，都可以進(jìn)行修改以便達(dá)到完成該任務(wù)所需最小功耗的最佳匹配。
6. 智能電壓調(diào)節(jié)
從ADSP-21532開始，Blackfin DSP提供內(nèi)置內(nèi)核電壓調(diào)節(jié)。首款Blackfin DSP器件ADSP-21535需要一片外部電源管理芯片才允許動態(tài)控制內(nèi)核電壓。ADP3053是一種支持ADSP-21535的電源管理的輔助芯片。該DSP使用3個引腳來控制由ADP3053提供的功率水平。ADP3053允許100 mV的內(nèi)核電壓步長增量，從0.9 V增加到1.5 V。另外，ADP3053還為PLL提供低噪聲電源。
結(jié)論
使用DSP的設(shè)計工程師無須為了性能而犧牲功耗。有很多方法幫助他們來平衡這些經(jīng)常會發(fā)生沖突的要求。通過從戰(zhàn)略上研究電源管理，而非權(quán)宜性的，就可以顯著節(jié)省功耗。Blackfin DSP系統(tǒng)為實現(xiàn)低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用提供了一種優(yōu)良的平臺。