為什么我的處理器消耗的功率比數(shù)據(jù)手冊(cè)建議的要多

Abhinay Patil

在我之前的文章中，我談到了設(shè)備消耗太少的功率——是的，有這樣的事情——給我?guī)砹寺闊５@種情況很少見。我處理的更常見的情況是客戶抱怨零件消耗的功率超過他們的數(shù)據(jù)手冊(cè)要求。

我記得有一個(gè)例子，當(dāng)一位客戶帶著他的處理器板走進(jìn)我的辦公室時(shí)，他說他消耗了太多的電量并耗盡了電池電量 - 由于我們自豪地聲稱該處理器是超低功耗處理器，因此我們有責(zé)任證明這一點(diǎn)。當(dāng)我準(zhǔn)備進(jìn)行通常的磨練，一個(gè)接一個(gè)地切斷板上不同設(shè)備的電源，直到找到真正的罪犯時(shí)，我想起了不久前的一個(gè)類似案例，我發(fā)現(xiàn)罪魁禍?zhǔn)资且粋€(gè) LED 獨(dú)自懸掛在電源軌和接地之間，沒有公司限流電阻器。我不能確定是過流還是純粹的無聊最終殺死了 LED，但我跑題了。從那次經(jīng)歷來看，我做的第一件事就是在板上的某個(gè)地方尋找一個(gè)燃燒明亮的 LED。然而，這一次沒有這樣的希望。此外，事實(shí)證明處理器是板上唯一的設(shè)備，因此，我沒有其他設(shè)備可以嘗試將責(zé)任歸咎于此。當(dāng)客戶漏出另一條信息時(shí)，我的心進(jìn)一步沉了下去：當(dāng)他在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試時(shí)，他發(fā)現(xiàn)功耗和電池壽命處于預(yù)期水平，但是當(dāng)系統(tǒng)部署在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，電池很快就會(huì)耗盡。這些是最難調(diào)試的問題，因?yàn)樗鼈兪紫群茈y重現(xiàn)。這為數(shù)字世界問題增加了一種模擬的不可預(yù)測(cè)性和挑戰(zhàn)，而數(shù)字世界問題通常存在于可預(yù)測(cè)和舒適的1和0世界中。

在最簡(jiǎn)單的層面上，處理器消耗功率有兩個(gè)主要領(lǐng)域：內(nèi)核和 I/O。在控制內(nèi)核功耗方面，我會(huì)考慮PLL配置/時(shí)鐘速度、內(nèi)核電源軌以及內(nèi)核繁忙的計(jì)算活動(dòng)量等因素。有一些方法可以最大限度地降低內(nèi)核功耗，例如，降低內(nèi)核時(shí)鐘速度或執(zhí)行某些指令，迫使內(nèi)核停止或進(jìn)入睡眠/休眠狀態(tài)。如果我懷疑是I/O占用了所有電力，我會(huì)注意I/O電源、I/O切換的頻率以及它們驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。

這是我唯一可以探索的兩條途徑。事實(shí)證明，在核心方面，我沒有什么可以真正懷疑的。它必須與 I/O 有關(guān)。此時(shí)，客戶透露他使用處理器純粹是為了計(jì)算功能，并且 I/O 活動(dòng)非常少。事實(shí)上，他沒有使用設(shè)備上大多數(shù)可用的 I/O 接口。

“等等！您沒有使用某些 I/O。你的意思是那些 I/O 引腳未使用。你是如何將它們聯(lián)系起來的？

“當(dāng)然，我沒有在任何地方連接它們！”

“啊哈！”

那是我的尤里卡時(shí)刻。雖然我沒有尖叫著跑到街上，但我確實(shí)花了一點(diǎn)時(shí)間讓它沉入其中，然后才坐下來解釋。

典型的CMOS數(shù)字輸入如下所示：

圖1.典型的CMOS輸入電路（左）和CMOS電平邏輯（右）。

當(dāng)該輸入以推薦的高電平（1）或低電平（0）驅(qū)動(dòng)時(shí)，PMOS和NMOS FET一次導(dǎo)通一個(gè)，但絕不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。輸入驅(qū)動(dòng)電壓中存在一個(gè)稱為閾值區(qū)域的不確定區(qū)域，PMOS和NMOS可以同時(shí)部分導(dǎo)通，從而在電源軌和接地之間形成泄漏路徑。當(dāng)輸入保持浮動(dòng)并拾取雜散噪聲時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。這既解釋了客戶電路板上的高功耗，也解釋了為什么它是隨機(jī)發(fā)生的。

圖2.PMOS和NMOS都部分開啟，在電源和接地之間形成泄漏路徑。

在某些情況下，這可能會(huì)導(dǎo)致類似閂鎖的情況，即設(shè)備繼續(xù)消耗過多的電流并燒壞。有人可能會(huì)說這是一個(gè)更容易識(shí)別和調(diào)試的問題，因?yàn)槟忝媲坝幸话衙盁煹臉尅Ｎ业目蛻魣?bào)告的問題更難處理，因?yàn)楫?dāng)您在實(shí)驗(yàn)室的涼爽范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它不會(huì)引發(fā)很大的危險(xiǎn)信號(hào)，但當(dāng)它在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)會(huì)引起很多悲傷。

現(xiàn)在我們知道了問題的根本原因，顯而易見的解決方案是將所有未使用的輸入驅(qū)動(dòng)到有效的邏輯電平（高或低）。但是，您需要注意細(xì)則中的某些內(nèi)容。讓我們?cè)倏匆恍┨幚聿划?dāng)?shù)腃MOS輸入可能會(huì)給您帶來麻煩的場(chǎng)景。我們需要擴(kuò)大范圍，不僅包括完全開放/浮動(dòng)的輸入，還包括那些似乎與適當(dāng)?shù)倪壿嬎较嚓P(guān)的輸入。

如果選擇簡(jiǎn)單地通過電阻將引腳連接到電源軌或接地，請(qǐng)注意您使用的上拉或下拉電阻的大小。這與引腳的源/灌電流相結(jié)合，可能會(huì)將引腳看到的實(shí)際電壓電平移動(dòng)到不希望的水平。換句話說，您需要確保上拉或下拉足夠強(qiáng)。

如果選擇主動(dòng)驅(qū)動(dòng)引腳，則應(yīng)始終確保驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度足以滿足手頭的CMOS負(fù)載。否則，電路周圍的噪聲可能足夠強(qiáng)，足以覆蓋驅(qū)動(dòng)信號(hào)并迫使引腳進(jìn)入不需要的狀態(tài)。

讓我們研究幾個(gè)場(chǎng)景：

在實(shí)驗(yàn)室中工作正常的處理器可能會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)無緣無故地開始重新啟動(dòng)，因?yàn)樵肼?a href="http://ttokpm.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合到?jīng)]有足夠強(qiáng)上拉的RESET線路中。

您可以想象，如果CMOS輸入屬于控制高功率MOSFET/IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)器，則可能會(huì)在不應(yīng)該打開時(shí)無意中打開！確實(shí)是嚴(yán)峻的消息。

圖4.噪聲覆蓋弱驅(qū)動(dòng)CMOS輸入柵極驅(qū)動(dòng)器，導(dǎo)致高壓總線短路。

另一個(gè)相關(guān)但不那么明顯的問題場(chǎng)景是當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的上升/下降時(shí)間非常慢時(shí)。在這種情況下，輸入可以在有限的時(shí)間內(nèi)停留在中間電壓電平上，這可能會(huì)導(dǎo)致各種麻煩。

圖5.CMOS輸入端的緩慢上升和下降時(shí)間在過渡期間造成瞬時(shí)短路。

既然我們已經(jīng)研究了一般適用于CMOS輸入的一些潛在問題，那么值得注意的是，一些器件在設(shè)計(jì)上處理這些問題方面比其他器件更好。例如，具有施密特觸發(fā)器輸入的器件本質(zhì)上更擅長處理噪聲或邊沿較慢的信號(hào)。

我們的一些最新一代處理器也注意到了這一點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)中采取了特殊的預(yù)防措施或明確的指導(dǎo)方針，以確保一切順利進(jìn)行。例如，ADSP-SC58x/ADSP-2158x數(shù)據(jù)手冊(cè)清楚地突出顯示了具有內(nèi)部端接或其他邏輯電路的引腳，以確保引腳永不浮動(dòng)。

圖6.ADSP-SC58x/ADSP-2158x數(shù)據(jù)手冊(cè)快速參考。

最后，正如他們常說的那樣，最好將所有松散的末端捆綁起來，尤其是CMOS數(shù)字輸入。

圖3.通過弱上拉耦合到RESET引腳的噪聲會(huì)導(dǎo)致處理器重新啟動(dòng)。

審核編輯：郭婷