嵌入式系統(tǒng)能耗的動(dòng)態(tài)管理方案

與 IEM 軟件一起聯(lián)合工作的是 Intelligent Energy Controller（智能能量控制器，IEC）部件。IEC 是一個(gè) APB 外設(shè)，它可以快速地集成到任何基于 AMBA 規(guī)范的 SoC 設(shè)計(jì)中。IEC 使用精密計(jì)數(shù)器和定時(shí)器測(cè)出當(dāng)前的系統(tǒng)性能水平，并將其送給軟件，以確保處理器的性能永遠(yuǎn)能夠滿足軟件工作負(fù)荷的最低要求。它還將大部分軟件測(cè)量活動(dòng)下載給硬件，從而減少了處理器上 IEM 軟件的開銷。

IEC 部件還提供一個(gè)對(duì)性能調(diào)整硬件的抽象。從軟件的角度看，當(dāng)工作負(fù)載變化而且預(yù)測(cè)被修改時(shí)，才向 IEC 提交一個(gè)新的性能級(jí)別請(qǐng)求。這種性能級(jí)別的實(shí)現(xiàn)則用抽象方法對(duì)軟件進(jìn)行隱藏。ARM 的 IEM 軟件部件優(yōu)化功耗的性能設(shè)定算法是基于工作負(fù)荷的差異，與之類似，國(guó)家半導(dǎo)體的 PowerWise 技術(shù)也根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境狀況以及各器件間的工藝差異，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)來(lái)確保處理器不會(huì)在最差的情況下工作。

國(guó)家半導(dǎo)體用于自適應(yīng)電壓調(diào)整或動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整的 PowerWise 技術(shù)的核心是一個(gè)低門數(shù)、綜合的數(shù)字部件，名叫 Adaptive Power CONtroller（自適應(yīng)功率控制器，APC）。APC 包括硬件性能監(jiān)控器，它可以準(zhǔn)確地監(jiān)控處理器的功耗，跟蹤溫度以及不同器件工藝的變化。APC 與片外能量管理單元（EMU）的通信通過(guò)一個(gè)雙線、雙向總線進(jìn)行，這個(gè)總線叫 PowerWise 接口（PWI）。

圖 5 顯示了完整的端到端參考解決方案，它使用了 ARM 公司的 IEM 和 IEC 部件，以及國(guó)家半導(dǎo)體公司的 APC 和 EMU 部件。

由 ARM 的 IEM 預(yù)測(cè)出的總體性能級(jí)別通過(guò) IEM 硬件部分的抽象層傳送給 APC。APC 自適應(yīng)地調(diào)整供電電壓，以覆蓋內(nèi)核工藝和當(dāng)時(shí)的運(yùn)行條件，滿足特定的性能要求。

在設(shè)計(jì)時(shí) IEC 可以配置為連接到片上特別設(shè)計(jì)的時(shí)鐘管理單元（CMU）和 APC 部件。CMU 負(fù)責(zé)為處理器提供與所需性能級(jí)別相適應(yīng)的時(shí)鐘頻率。APC 負(fù)責(zé)管理片外 EMU，為處理器內(nèi)核提供能滿足所需性能級(jí)別的最低電壓，同時(shí)還要考慮當(dāng)前內(nèi)核工藝與溫度狀況。由 IEC 部件來(lái)協(xié)調(diào)管理時(shí)鐘頻率與電壓的變化，以保證任何時(shí)候兩者的組合都是有效的，并且不同性能級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換要順利，而且在時(shí)鐘產(chǎn)生方案與外部 EMU 的限制下轉(zhuǎn)換要盡可能快。

能量管理的最大限度ARM 與國(guó)家半導(dǎo)體開發(fā)出了這些先進(jìn)的能量管理解決方案，可 以協(xié)助 OEM 廠商實(shí)現(xiàn)他們的手持式電池供電產(chǎn)品的電池壽命最大化（電池壽命現(xiàn)在是最終用戶真正關(guān)心的幾個(gè)關(guān)鍵要素之一）。整個(gè)解決方案具有部件化的特性，這意味著該技術(shù)可以自我調(diào)整去適應(yīng)各種性能調(diào)整硬件，包括 DVS 和 AVS。IEM 預(yù)測(cè)軟件決定了處理器可以運(yùn)行的最低性能級(jí)別，同時(shí)通過(guò) IEC 的幫助，也確保永遠(yuǎn)不會(huì)低于軟件的最低界線。APC 用性能預(yù)測(cè)與外部 EMU 一起工作，使處理器運(yùn)行在能保證應(yīng)用軟件正確運(yùn)行的最低電壓和頻率下。在已確定時(shí)鐘發(fā)生器、供電電壓動(dòng)態(tài)范圍，以及混合應(yīng)用軟件可用余量等限制條件下，這一完整的解決方案能將處理器的功耗降低到最低程度。

ARM 智能能量管理技術(shù)可以用于降低一個(gè)嵌入式處理器的能量需求，最高可達(dá)75%。國(guó)家半導(dǎo)體公司的 PowerWise 技術(shù)可以減小安全裕度，并進(jìn)一步減少能耗，與開環(huán)電壓控制方案相比，在室溫下使用 AVS 可以再節(jié)省 45% 的能耗。通過(guò)模擬工作與測(cè)試芯片顯示，結(jié)合使用 IEM 和 PowerWise 技術(shù)可以把智能手機(jī)和 PDA 這類產(chǎn)品的總能耗降低 30%，這對(duì)增加電池壽命有相當(dāng)大的好處，同時(shí)還可以減小產(chǎn)品體積或降低成本。

正如前面所說(shuō)，在一個(gè)典型設(shè)計(jì)中，處理器只是許多耗能部件中的一個(gè)。當(dāng) IEM 和 PowerWise 技術(shù)進(jìn)入實(shí)用時(shí)，預(yù)計(jì)它們將被用于在一片 SoC 中，用于控制其它器件。