淺談如何善用動態(tài)電源管理提高多媒體處理器能效

　　可攜式電子設(shè)備中耗電量最大的元件為多媒體處理器。一般而言，最常用來降低中央處理器（CPU）功耗需求的方法是降低時脈頻率或操作電壓，但通常也會使系統(tǒng)效能降低。因此，晶片設(shè)計人員提出各種可直接在晶片上降低功耗，并且不對系統(tǒng)產(chǎn)生任何不利影響的方法。本文將解說這些技術(shù)的概念及其達到節(jié)能效果的運用方式，并探討可協(xié)助處理器晶片發(fā)揮完整功效的外部電源管理裝置及電源IC。

　　主動式電源管理讓部分裝置得以順利運作

　　晶片上電源管理技術(shù)適用于管理主動式系統(tǒng)功耗及管理待機功耗兩種主要應(yīng)用類型。而主動式電源管理分為叁個部分，分別為動態(tài)電壓和頻率縮放（DVFS）、適應(yīng)性電壓縮放（AVS）及動態(tài)功率切換（DPS）。另一方面，靜態(tài)功耗管理會在進行更多處理程序之前先將閒置系統(tǒng)保持于低功耗狀態(tài)。這種電源管理通常是利用從待機到關(guān)機間的多種低功耗模式所進行的靜態(tài)漏電流管理（SLM）。

　　主動式模式利用DVFS，可根據(jù)應(yīng)用狀況所需的效能，在軟體中將時脈頻率及電壓降低。以內(nèi)含安謀國際（ARM）進階精簡指令集運算（RISC）機器及數(shù)位訊號處理器（DSP）的應(yīng)用處理器為例，雖然ARM元件能以高達600MHz的時脈頻率進行運作，但并非總是需要所有運算能力。一般而言，軟體會選取數(shù)個預(yù)先定義的處理器運作效能點（OPP），包括確保處理器能以達到系統(tǒng)處理需求的最低頻率，進行運作所需的電壓。為了能將功耗最佳化以適用于不同應(yīng)用時增加更多彈性，可預(yù)先定義一組個別的裝置核心OPP，以便用于處理器的互連及周邊裝置。

　　為符合特定的OPP，軟體會將控制訊號傳送至外部穩(wěn)壓器，以設(shè)定最低電壓。如DVFS適用于兩個電壓電源VDD1（針對數(shù)位訊號處理器及ARM處理器供電）和VDD2 （針對子系統(tǒng)及周邊裝置間的互連供電），而這些電極可提供晶片所需的大部分電源，一般約為75～80%。將數(shù)位訊號處理器轉(zhuǎn)換為能讓ARM處理器以高達125MHz時脈頻率運作的低運作效能點，即可將MP3解碼，并能同時處理其他工作。只要將VDD1降至0.95伏特，而非可達到600 MHz運作的1.35伏特最高電壓，便能以最佳功耗發(fā)揮以上功能。

　　第二種主動式電源管理技術(shù)為適應(yīng)性電壓縮放（AVS），可根據(jù)晶片製造和裝置運作期間出現(xiàn)的各種變化進行調(diào)整。在DVFS中，所有處理器均具有預(yù)先設(shè)定的相同OPP，而此種技術(shù)和大多數(shù)現(xiàn)有製程相同，特定頻率需求的晶片效能會遵循經(jīng)過充分定義的電源分配方式。

　　相較于許多「冷」裝置，有些「熱」裝置能以較低的電壓達到特定的頻率，因AVS能使處理器感測自身的效能程度，并據(jù)以調(diào)整電壓電源。專用的晶片上AVS硬體不需處理器介入，便可執(zhí)行回饋迴路，并能動態(tài)最佳化電壓位準以因應(yīng)處理結(jié)果、溫度和硅晶片效能低落時出現(xiàn)的變化（圖1）。

　　圖1　使用CPLD進行供電排序

　　在運作中，軟體會為各個OPP設(shè)定AVS硬體，而控制演算法會通過I2C匯流排將指令傳送至外部穩(wěn)壓器，以逐步遞減適當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出，直到處理器剛好超出目標(biāo)頻率需求為止。如開發(fā)人員能先以所有狀況都適合的電壓開始進行設(shè)計，然后以0.95伏特的125MHz頻率為目標(biāo)進行設(shè)計（略高于圖1所示的V1）。然而，若將使用AVS的「熱」裝置插入系統(tǒng)中，則晶片上的回饋機制便會自動將電壓降至安謀國際所需的0.85伏特或更低（略高于圖1所示的V2）。這兩種主動式電源管理方法可以最低操作電壓，讓部分裝置在理想速度下進行運作。相較之下，第叁種的動態(tài)電源切換（DPS）方法可確定裝置何時完成目前的運算工作，若此時不需要，則會將裝置切換至低功耗狀態(tài)（圖2）。如在等候DMA傳輸完成時，處理器進入低功耗狀態(tài)。在喚醒時，處理器會在數(shù)微秒的時間內(nèi)迅速回復(fù)正常狀態(tài)。

　　圖2　動態(tài)電源切換使已完成工作的特定裝置部分進入低功耗狀況。

　　SLM協(xié)助裝置全面切換至低功耗狀態(tài)

　　DPS只能將部分的多媒體系統(tǒng)單晶片（SoC）切換至低功耗狀態(tài)，但在某些情形下，必須將整個裝置都切換至低功耗狀態(tài)，不論是沒有任何應(yīng)用程式運作時自動切換，或是根據(jù)使用者需求進行切換。在此種情形下，便可在啟動待機模式或裝置關(guān)閉模式時運用靜態(tài)漏電流管理（SLM）。其中主要的區(qū)別為，在待機模式中，裝置可保留內(nèi)部記憶體和邏輯電路的狀態(tài)，而在裝置關(guān)閉模式中，所有的系統(tǒng)狀態(tài)都會儲存于外部記憶體中。透過SLM，裝置的喚醒時間遠少于冷啟動，因為程式已載入于外部記憶體中，使用者不須等候整個作業(yè)系統(tǒng)（OS）重新啟動。在使用媒體播放器時，若連續(xù)10秒鐘未處理任何工作且無任何使用者輸入，媒體播放器便會關(guān)閉顯示器，并進入待機模式或裝置關(guān)閉模式，變?yōu)檫\用SLM的其中一例。

　　以採用安謀國際Cortex-A8核心的德州儀器（TI）OMAP35x單晶片處理器為例，該裝置會進入裝置關(guān)閉模式，也就是裝置可自動喚醒的最低功耗模式。除被喚醒區(qū)域外，所有其他功耗區(qū)域都會關(guān)閉。因此，只有被喚醒區(qū)域會耗用來自輸入/輸出（I/O） 漏電流的電源。此時系統(tǒng)時脈會關(guān)閉，而被喚醒區(qū)域會以32kHz的時脈單獨運作。OMAP35x也會自動將訊號傳送至外部穩(wěn)壓器，在此深度休眠狀態(tài)中即可將穩(wěn)壓器關(guān)閉。處理器未保留任何記憶體或邏輯電路，系統(tǒng)狀態(tài)會在進入裝置關(guān)閉模式前儲存于外部記憶體中。一旦經(jīng)過喚醒重設(shè)后，微處理器（MPU）會跳至使用者定義功能，雙通道同步動態(tài)隨機存取記憶體（SDRAM）控制器配置便會從暫存記憶體中回復(fù)。

　　通用技術(shù)打造節(jié)能效果

　　將上述的電源管理技術(shù)結(jié)合運用，便能以最佳方式處理各種運作狀況。當(dāng)可攜式多媒體播放器的系統(tǒng)活動量相當(dāng)高時，如在觀看高解析度視訊狀況下，便能于VDD1上設(shè)定增速OPP。對于需要中等程度功耗的網(wǎng)頁瀏覽而言，可將VDD1及VDD2設(shè)定正常的OPP。對于功耗需求相對較低的音樂聆聽而言，則可將VDD1和VDD2設(shè)定最低的OPP。在這些例子中，都能啟動AVS降低「熱」裝置和「冷」裝置兩者間的功耗差異。最后，若使用者將媒體播放器持續(xù)開啟，經(jīng)過幾小時或幾天都未使用，便能使用SLM自動將裝置切換為裝置關(guān)閉模式。而為了能更加了解運用這些功能可達到的節(jié)能效果（除非特別註明，下列所舉的例子都未使用德州儀器的AVS/SmartReflex技術(shù)），可思考下列幾種狀況。

　　?裝置關(guān)閉模式--0. 590毫瓦

　　此為德州儀器OMAP 3可自動喚醒的最低功耗模式。在此模式中，除被喚醒區(qū)域之外，整個裝置都已關(guān)閉，而被喚醒區(qū)域是以低于32kHz的頻率進行運作。未使用的穩(wěn)壓器會關(guān)閉（VDD1=VDD2=0伏特），SDRAM會自行重新整理，而特殊啟動順序會在喚醒時回復(fù)SDRAM控制器及系統(tǒng)狀態(tài)。

　　?待機模式--7毫瓦

　　在此裝置狀態(tài)中，被喚醒區(qū)域持續(xù)運作，而其他所有非喚醒功耗區(qū)域則處于低功耗保留狀態(tài)（VDD1=VDD2=0.9伏特）。所有邏輯電路及記憶體都會予以保留。AVS會關(guān)閉。

　　?音訊解碼-22毫瓦（不包括DPLL及IO功耗）

　　ARM處理器以125MHz進行運作，但在進入休眠模式后，只允許DMA從多媒體介面卡讀取輸入資料。影像、視訊及音訊加速器子系統(tǒng)（IVA）將MP3訊框（44.1kHz、128kbit/s立體聲）解碼，并將經(jīng)解碼的資料傳送至SDRAM中的緩衝器。晶片上多通道緩衝序列埠會將資料傳送至音訊編解碼器以供播放。而針對系統(tǒng)配置，DSP會以90MHz進行運作，并在毋須進行任何處理週期中切換為低功耗狀態(tài)，以節(jié)省電源。此時，VDD1=0.9伏特，而VDD2=1伏特。

　　?音訊/視訊編碼--540毫瓦（不包括DPLL及IO功耗）。

　　此時會擷取音訊進行編碼（48kHz且32kbit/s立體聲的AACe+），并同時擷取視訊進行編碼（20訊框/秒且2.4Mbit/s的H.264 VGA解析度），然后將兩者加以儲存。在此同時，會一併顯示視訊。在此配置中，ARM處理器會以500MHz進行運作，DSP會以360MHz進行運作，而VDD1=1.2伏特，且VDD2=1.15伏特。晶片上的攝影機子系統(tǒng)也會擷取來自外部感應(yīng)器的視訊輸入，而多通道緩衝序列埠會擷取音訊PCM輸入，IVA則會將視訊及音訊編碼，經(jīng)編碼的資料會儲存于多媒體介面卡中，然后顯示子系統(tǒng)則將視訊加以調(diào)整，并將視訊傳送至液晶顯示器（LCD）和電視等輸出介面。

　　晶片電源重設(shè)/時脈管理器可達電源管理彈性

　　為達到有效的電源管理彈性，DSP處理器採用晶片上電源重設(shè)與時脈管理器（PRCM）。OMAP3530處理器將自身的功能區(qū)塊分為十八個功耗區(qū)域，各個功耗區(qū)域都有各自的開關(guān)。PRCM可開關(guān)所有的功耗區(qū)域，但使用者也可控制其中多個功耗區(qū)域。此外，根據(jù)邏輯電路與記憶體是否通電及時脈是否運作中等條件，各個功耗區(qū)域都會進入下列運作中、非運作中、保留或關(guān)閉四種狀態(tài)中的其中一種。

　　對于ARM元件裝置與DSP元件而言，這些狀態(tài)通常需要輔助穩(wěn)壓器進行調(diào)節(jié)。市面上許多的穩(wěn)壓器都可達到此一功能，而這些穩(wěn)壓器也都須符合處理器的電壓、電流、功率迴轉(zhuǎn)率規(guī)格及功率升降定序等需求。為能在ARM處理器及DSP上執(zhí)行DVFS與AVS操作，相關(guān)穩(wěn)壓器必須支援I2C程式設(shè)計功能。在裝置關(guān)閉模式中，電路須能使用自動發(fā)出的I2C指令或透過專用的通用型之輸入輸出（GPIO）訊號開啟或關(guān)閉VDD1與VDD2穩(wěn)壓器。GPIO訊號無任何I2C延遲，因此可達到較快的喚醒時間。為減輕設(shè)計工程師的負擔(dān)，上述各功用的所有功能最好都整合于單一裝置中，以大幅減少零件數(shù)量（圖3）。

　　圖3　進階穩(wěn)壓器晶片整合多個個別切換穩(wěn)壓器與低壓降線性穩(wěn)壓器，可適用于處理OMAP35x處理器的電壓區(qū)域需求。