動態(tài)電源管理在嵌入式應(yīng)用中的性能解析

消費者對采用多媒體嵌入式處理器的產(chǎn)品的快速增長需要高性能和低功耗。但是使用戰(zhàn)術(shù)節(jié)能設(shè)計方案很難實現(xiàn)高性能處理所需的增加的計算復(fù)雜度和更快的時鐘速率。我們需要的是一種管理功耗的戰(zhàn)略方法，以優(yōu)化特定嵌入式應(yīng)用的性能與功耗。這種方法可以通過Blackfin處理器系列固有的動態(tài)電源管理功能實現(xiàn)。

Blackfin DSP是定點雙16位MAC /雙40 -bit-ALU數(shù)字信號處理器。它們是功耗敏感多媒體應(yīng)用的理想選擇，因為它們支持多層次的電源管理方法，可根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整性能。讓我們來看看嵌入式系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵功耗考慮因素，看看Blackfin系列如何使用動態(tài)電源管理來解決這些問題。

節(jié)省功耗的典型策略是什么？

1。改變頻率和電壓

現(xiàn)代DSP通常采用CMOS FET開關(guān)設(shè)計，完全 on （并且負載非常輕）或完全 off （漏電流除外）在穩(wěn)定狀態(tài)下。靜態(tài)功耗（處理器空閑時的靜態(tài)功耗）通常遠低于在器件主動切換和電壓擺動時，在非常高的開關(guān)頻率下FET負載電容的充電和放電所引起的動態(tài)功耗。

存儲在器件等效負載電容中的電荷（Q）等于電容乘以其上存儲的電壓（這是DSP的核心電源電壓，V _core ），

Q = CV _core

由于設(shè)備電流對此電容充電被定義為充電變化率關(guān)于時間，動態(tài)電流 I _dyn 由

I _dyn = dQ / dt = C（dV _core / dt）

電容器電壓的比率相對于時間的變化， dV _core / dt ，衡量電容器充電和放電的速度。對于給定的時鐘頻率 F ，完成充電或放電的最快時間是一個時鐘周期。因此，

dV _core / dt = V _core （F）

I _dyn = C（dV _core / dt）= CV _core F

因此，很明顯，動態(tài)功耗與工作電壓的平方成正比，與工作頻率成線性比例。因此，降低 F 會線性降低動態(tài)功耗，而降低 V _核心 會降低指數(shù)（見圖1）。

考慮圖1中結(jié)合的三種不同的DSP功能，所有這些功能都有非常不同的性能需求：

例如，F(xiàn)0（x）可能是視頻處理算法， F1（y）可以是監(jiān)控模式（DSP正在收集數(shù)據(jù)并進行最少的處理），而F2（z）可能是從串行端口流出壓縮視頻的過程。

當(dāng)DSP具有延長的監(jiān)視活動時間時，僅更改功耗敏感應(yīng)用中的頻率（而非電壓）非常有用。也就是說，如果DSP正在等待外部觸發(fā)，則不需要以最大頻率運行。

然而，在某些電池供電的應(yīng)用中，僅僅改變頻率可能不足以節(jié)省功率。例如，如果應(yīng)用程序運行三段代碼，則降低這些段中任何一段的操作頻率意味著特定的代碼段將花費更長的時間來執(zhí)行。但是如果DSP運行時間更長，則當(dāng)三個部分完成時將消耗相同的功率。例如，如果頻率降低了兩倍，則代碼執(zhí)行時間將縮短兩倍，因此無法實現(xiàn)凈功耗節(jié)省。

另一方面，可節(jié)省大量功耗通過降低電壓和頻率來實現(xiàn)。這種功耗節(jié)省可以通過以下等式建模：

P _R / P _N =（F _CR / F _CN ）（V <子> DDR / V <子> DDN ） ² （T <子> FR / T <子> FN ）

其中

• P _R / P _N 是減少的比例功率與額定功率
• F _CN 是標(biāo)稱內(nèi)核時鐘頻率
• F _CR 是降低的核心時鐘頻率
• V _DDN 是標(biāo)稱內(nèi)部電源電壓
• V _DDR 是降低的內(nèi)部電源電壓
• T _FR 是的持續(xù)時間> F _CR
• T _FN 是在 F _{CN運行的持續(xù)時間}

例如，圖2顯示了具有以下特征的場景：

• F _CN = 300 MHz
• F _CR = 100 MHz
• V _DDN = 1.5 V
• V _DDR = 1.0 V
• T _FR = 3
• T _FN = 1

因此

（ P _R / P _N ） =（100/300）（1.0 / 1.5） ² ×（3/1）= 0.44 →節(jié)省56％！

由于Blackfin處理器不僅具有可編程工作頻率，而且還允許核心電壓隨頻率變化而變化，因此在以較低頻率和較低頻率運行一段代碼時將消耗更少的功率電壓，即使執(zhí)行時間較長。電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換在ADSP-BF532上自動處理，而對于ADSP-BF535，則遵循簡單的序列。當(dāng)然，重要的是要記住開發(fā)人員必須確保在任何系統(tǒng)時鐘頻率變化期間連接到外部系統(tǒng)的外圍通道的完整性。

可視電話應(yīng)用說明了如何利用改變工作頻率和工作電壓的能力來大大延長電池壽命。例如，如果僅在視頻連接期間需要最大性能（最大核心時鐘頻率），則當(dāng)使用電話進行僅語音事務(wù)時，核心頻率可以降低到某個預(yù)設(shè)值。對于僅操作時間不敏感的增值特征（例如，個人管理器），可以進一步降低頻率。在Blackfin處理器上，每個PLL頻率轉(zhuǎn)換都可以在不到40微秒的時間內(nèi)完成。

實現(xiàn)

Blackfin時鐘生成單元

時鐘 - 生成 單元，其中包含鎖相環(huán)（PLL）和相關(guān)的控制電路，是Blackfin處理器中動態(tài)電源管理的一個組成部分。 PLL具有高度可編程性，允許用戶動態(tài)控制處理器的性能特性和功耗。

圖3顯示了ADSP-BF532時鐘發(fā)生單元的簡化框圖。輸入晶振或振蕩器信號（10至33 MHz）施加于CLKIN引腳。然后，PLL將該信號乘以1×至31×的可編程因子。然后，獨立的A和B分頻器獨立地產(chǎn)生核心時鐘（CCLK）和系統(tǒng)/外設(shè)時鐘（SCLK）頻率?？刂七壿嫶_保系統(tǒng)時鐘頻率不會超過核心時鐘頻率。

這種方法的最大優(yōu)點是CCLK和SCLK可以“在運行中”進行更改，而且周期開銷非常小。因此，設(shè)計人員無需再考慮改變時鐘頻率，以滿足不同代碼段的不同性能要求。從設(shè)計人員的角度來看，動態(tài)功耗的線性節(jié)省沒有實現(xiàn)成本。

時鐘發(fā)生單元的另一個特點是它可以被旁路以允許CLKIN信號直接通過CCLK 。此功能允許在非活動操作間隔期間使用極低頻率CCLK，以進一步降低總功耗。

2。靈活的電源管理模式