TI案例：多媒體處理器動態(tài)電源管理

多媒體處理器通常是便攜式電子設(shè)備中功耗最高的器件。降低 CPU 功耗要求的常見方法是降低時鐘頻率或工作電壓，但是一般而言這樣做會使系統(tǒng)性能降低。另一方面，芯片設(shè)計人員還提出了各種片上方法來降低功耗，并且不會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。本文介紹了這些方法的概念，以及我們?nèi)绾芜\用它們實現(xiàn)節(jié)能的目的，同時還討論了幫助處理器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源 IC。

有源電源管理

片上電源管理技術(shù)主要適用于兩類應(yīng)用：管理有源系統(tǒng)功耗和管理待機功耗。

有源電源管理分為三個部分：動態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS)；自適應(yīng)電壓縮放 (AVS)；以及動態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS)。另一方面，靜態(tài)功耗管理包括在需要進(jìn)行更多處理以前將空閑系統(tǒng)維持在一種低功耗狀態(tài)。這種電源管理使用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其通常利用從待機到關(guān)機的數(shù)種低功耗模式。

讓我們來看一下有源模式。利用 DVFS，根據(jù)應(yīng)用所要求的不同性能，時鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如，一款包括了先進(jìn) RISC 機器 (ARM) 和數(shù)字信號處理器 (DSP) 的應(yīng)用處理器，即使 ARM 組件可以運行在高達(dá) 600 MHz 的時鐘頻率下，但卻并非總是需要所有這些計算能力。一般而言，軟件會選擇數(shù)個預(yù)定義處理器工作性能點 (OPP)，其包括確保處理器能夠運行在滿足系統(tǒng)處理要求的最低頻率下的電壓。在對滿足不同應(yīng)用要求的功耗進(jìn)行優(yōu)化的過程中，為了獲得更大的靈活性，人們?yōu)樘幚砥髦械幕ミB和外設(shè)預(yù)定義了一個單獨的器件內(nèi)核 OPP 集。

與給定的 OPP 相對應(yīng)，軟件向外部穩(wěn)壓器發(fā)出控制信號來設(shè)置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個電壓源 VDD1（為 DSP 和 ARM 處理器供電）和 VDD2（為子系統(tǒng)和外設(shè)之間的互連供電），同時這些電源軌提供芯片所需的大部分電量（一般約為全部所需電量的 75% 到 80%）。通過將 DSP 處理器轉(zhuǎn)入一個 ARM 可以高達(dá) 125MHz 時鐘頻率運行的低工作性能點完成對 MP3 解碼的同時，還可以有許多剩余電力用于完成其他任務(wù)。為了獲得具有理想功耗的這種功能性，我們可以把 VDD1 降至 0.95V，而非保證 600 MHz 運行的 1.35V 最高電壓。

第二種有源電源管理技術(shù)即自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 基于芯片制造和器件工作壽命期間出現(xiàn)的各種變化。這種技術(shù)是相對于 DVFS 的，DVFS 中所有處理器均具有相同的預(yù)編程 OPP。正如人們認(rèn)為的那樣，在大多數(shù)現(xiàn)有制造工藝中規(guī)定頻率要求的芯片性能符合一種充分定義的電源分配。相比許多“冷”器件，一些器件（即“熱”器件）可以在較低的電壓下達(dá)到規(guī)定頻率。此時，AVS 便可以發(fā)揮作用了—處理器檢測其自有性能水平，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)各電壓源。專用片上 AVS 硬件可實施一個反饋環(huán)路，其并不要求處理器介入，從而動態(tài)地優(yōu)化電壓電平來應(yīng)對處理結(jié)果、溫度和硅芯片性能降低中的變化（請參見圖 1）。

圖1

圖 1 顯示了特定處理器的典型性能分布情況。其中，“冷”器件要求 0.94V 電壓以實現(xiàn) 125 MHz 的運行，而“熱”器件則只需要 0.83 V 就可實現(xiàn)相同頻率的運行。自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 使用一個可相應(yīng)調(diào)節(jié)電源電壓的反饋環(huán)路，這樣單個器件便可以完成特定處理任務(wù)所需的頻率運行了。

運行中，軟件為每一個 OPP 安排 AVS 硬件，同時控制算法通過一條 I2C 總線向外部穩(wěn)壓器發(fā)送命令，逐步遞增降低相應(yīng)穩(wěn)壓器的輸出，直到該處理器剛好超出目標(biāo)頻率要求為止。

例如，開發(fā)人員可以在一個適合于所有情況的電壓下并以 0.95V 的 125 MHz 頻率為目標(biāo)開始進(jìn)行設(shè)計（上面圖 1 所示的 V1）。但是，如果一個使用 AVS 的“熱”器件被插入該系統(tǒng)，那么該片上反饋機制就會自動地將電壓降至 ARM，即 0.85V 或更低（上面圖 1 所示的 V2）。

前兩種有源電源管理方法可獲得理想速度下運行器件局部所需的最低工作電壓。相比之下，第三種方法動態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS) 可確定器件何時完成其當(dāng)前計算任務(wù)，如果當(dāng)前并不需要，則將器件切換到低功耗狀態(tài)（請參見圖 2）。例如，在等待 DMA 傳輸完成時，處理器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。喚醒時，處理器可以在數(shù)微秒時間內(nèi)迅速返回到正常狀態(tài)。

圖2

圖2 動態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS) 將完成任務(wù)后的特定器件的相應(yīng)部分切換至低功耗狀態(tài)。

無源電源管理

DPS 只能將多媒體片上系統(tǒng) (SoC) 的某一部分切換至低功耗狀態(tài)，而在許多情況下將整個器件都切換至低功耗狀態(tài)是頗具現(xiàn)實意義的（無論是無應(yīng)用程序運行時自動切換，還是根據(jù)用戶要求切換）。為了達(dá)到這一目標(biāo)，我們可以運用了靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其被用于啟動待機或關(guān)機模式。一個關(guān)鍵的區(qū)別在于，在待機模式下該器件可維持內(nèi)部存儲器和邏輯電路的狀態(tài)，而在關(guān)機模式下所有系統(tǒng)狀態(tài)均被存入外部存儲器中。利用 SLM 后，喚醒時間比冷啟動要短得多，因為程序已經(jīng)被加載到外部存儲器，并且用戶不必等待整個操作系統(tǒng) (OS) 重新啟動。媒體播放器可能會是運用 SLM 的一個例子：在沒有處理任務(wù)也沒有用戶輸入的狀態(tài)下持續(xù) 10 秒鐘后，媒體播放器便關(guān)閉顯示器，并進(jìn)入待機或關(guān)機模式。

例如，具有 ARM Cortex-A8 內(nèi)核的 TI OMAP35x 單芯片處理器器件便可實施關(guān)機模式—器件可自動喚醒的一種最低功耗模式。除喚醒域外，所有功耗域均處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣，僅在喚醒域中有一定的功耗，并且所消耗電量來自于 I/O 漏電流。系統(tǒng)時鐘被關(guān)閉的情況下，喚醒域以 32 kHz 獨立運行。OMAP35x 還會自動將信號發(fā)送給外部穩(wěn)壓器，隨后穩(wěn)壓器在這種深度睡眠狀態(tài)下被關(guān)閉。處理器中的存儲器或邏輯電路并未被維持。在進(jìn)入關(guān)機模式之前，系統(tǒng)狀態(tài)被存入外部存儲器中；一次喚醒后復(fù)位以后，微處理器單元 (MPU) 跳至用戶定義功能，SDRAM 控制器配置從暫時存儲器中得到恢復(fù)。

通用技術(shù)

將前面所述電源管理技術(shù)結(jié)合起來使用，我們便能以一種最佳的方法來處理各種運行情況。當(dāng)便攜式多媒體播放器的系統(tǒng)活動級別較高時，例如：觀看高分辨率視頻等，則可以在 VDD1 上設(shè)置過度驅(qū)動 OPP；對于要求中等水平功耗的網(wǎng)頁瀏覽而言，此時可為 VDD1 和 VDD2 設(shè)置正常的 OPP；聽音樂的功耗要求相對較低，可為 VDD1 和 VDD2 設(shè)置最低的 OPP。所有這些例子中，都可以激活 AVS 來降低“熱”器件和“冷”器件之間的功耗差異。最后，如果用戶保持媒體播放器開啟閑置數(shù)小時或幾天時間，則可以使用 SLM 來自動地將該設(shè)備轉(zhuǎn)入關(guān)機模式。

為了更好地理解運用這些特性所帶來的節(jié)能效果，請看下列幾種情況。除特別注明外，下列例子均未使用 TI 的 AVS/SmartReflex 技術(shù)。在這些描述中，IVA 是指影像、視頻以及音頻加速器或子系統(tǒng)。

第 1 種情況：關(guān)機模式—0. 590 mW。這是一種最低功耗模式，TI 的 OMAP 3 可從該模式中自動喚醒。在這種模式下，整個器件（喚醒域除外）均處于關(guān)閉狀態(tài)，喚醒域以低于 32 kHz 的頻率運行。閑置穩(wěn)壓器被關(guān)閉（VDD1 = VDD2 = 0），SDRAM 自刷新，并且在喚醒時特定啟動順序會恢復(fù) SDRAM 控制器和系統(tǒng)狀態(tài)。

第 2 種情況：待機模式—7 mW。這種器件狀態(tài)下，喚醒域處于運行狀態(tài)，而其他所有非喚醒功耗域則處于低功耗維持狀態(tài)（VDD1 = VDD2 = 0.9V）。所有邏輯電路和存儲器得以維持。AVS 處于關(guān)閉狀態(tài)。

第 3 種情況：音頻解碼—22 mW（不包括 DPLL 和 IO 功耗）。盡管 ARM 以 125 MHz 運行，但是在其進(jìn)入睡眠模式后 ARM 僅允許 DMA 從多媒體卡讀取輸入數(shù)據(jù)。IVA 對 MP3 幀（44.1 kHz、128k bps 立體聲）進(jìn)行解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送至位于 SDRAM 中的緩沖器。一個片上多通道緩存串行端口將數(shù)據(jù)發(fā)送給音頻編解碼器進(jìn)行回放。至于系統(tǒng)配置，DSP 以 90 MHz 運行，并且在無需為處理提供循環(huán) (cycle) 時轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)以達(dá)到節(jié)能的目的。此時，VDD1 = 0.9V，而 VDD2 = 1V。

第 4 種情況：音頻/視頻編碼—540 mW（不包括 DPLL 和 IO 功耗）。在這種情況下，采集音頻并對其進(jìn)行編碼（48 kHz 的 AACe+，32k bps 立體聲），采集視頻并對其進(jìn)行編碼（20 幀/秒的 H.264 VGA 分辨率，2.4 Mbsp），并且對二者進(jìn)行了存儲。與此同時，視頻被顯示出來。這種配置中，ARM 以 500 MHz 運行，DSP 以 360 MHz 運行，VDD1 = 1.2V，而 VDD2=1.15V。一個片上攝像頭子系統(tǒng)也會對來自外部傳感器的視頻輸入進(jìn)行采集，多通道緩存串行端口對音頻 PCM 輸入進(jìn)行采集，IVA 對視頻和音頻進(jìn)行編碼，編碼后的數(shù)據(jù)被存儲至多媒體卡中，而顯示子系統(tǒng)則對視頻進(jìn)行旋轉(zhuǎn)處理，并將其發(fā)送至 LCD 和 TV 輸出接口。

實施電源管理

為了實現(xiàn)電源管理的廣泛靈活性，DSP 處理器利用一個片上電源復(fù)位和時鐘管理器 (PRCM)。OMAP3530 處理器將其功能塊分為 18 個電源域，每一個域均有其自己的開關(guān)。PRCM 可對所有電源域進(jìn)行開關(guān)，但是它們中的許多仍然由用戶來控制。另外，每一個電源域都可以被切換到四種狀態(tài)的任何一種，具體取決于電力是否施加于邏輯電路和存儲器，以及時鐘是激活還是未激活：激活、未激活、維持或關(guān)閉。

這些狀態(tài)要求和備用穩(wěn)壓器配合，而一些基于 ARM 和 DSP 的器件一般都需要這種穩(wěn)壓器。市場上許多穩(wěn)壓器都可以完成這一工作；當(dāng)然，這些穩(wěn)壓器必須要滿足處理器的電壓、電流和電源轉(zhuǎn)換速率等規(guī)范要求，同時還要能夠滿足上電/斷電定序要求。為了實現(xiàn) DVFS 和 AVS 在基于 ARM 和 DSP 的處理器上運行，相關(guān)的穩(wěn)壓器還必須要具有 I2C 可編程性。在關(guān)機模式下，電路必須能夠利用自動發(fā)出的或由專用 GPIO 信號發(fā)出的 I2C 命令對 VDD1 和 VDD2 穩(wěn)壓器進(jìn)行開關(guān)。第二種選項的喚醒時間更短一些，因為其沒有 I2C 延遲。為了減輕設(shè)計工程師的負(fù)擔(dān)，最好將這些獨立功能的所有特性置于單個器件中，這樣可以極大地減少組件數(shù)量（請參見圖 3）。

圖3

圖 3 高級穩(wěn)壓器芯片整合了多個單獨開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓降線性穩(wěn)壓器，可滿足 OMAP35x 處理器處理各種電壓域的要求。