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如何處理好嵌入式DSP設(shè)計(jì)中的功耗優(yōu)化

發(fā)表時(shí)間:2019-05-06 13:12 作者:胤旭機(jī)電 來源:acklinsdeepsouthfisheries.com 瀏覽:

胤旭機(jī)電網(wǎng)最新報(bào)道 >> 如何處理好嵌入式DSP設(shè)計(jì)中的功耗優(yōu)化 : 對(duì)基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的系統(tǒng)而言,優(yōu)化功耗是一項(xiàng)重要但往往難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)?,F(xiàn)在,基于DSP的設(shè)備常常把以往各自獨(dú)立的多個(gè)應(yīng)用結(jié)合起來,每一個(gè)應(yīng)用都可能有多個(gè)工作?!?/h3>
對(duì)基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的系統(tǒng)而言,優(yōu)化功耗是一項(xiàng)重要但往往難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)?,F(xiàn)在,基于DSP的設(shè)備常常把以往各自獨(dú)立的多個(gè)應(yīng)用結(jié)合起來,每一個(gè)應(yīng)用都可能有多個(gè)工作模式。要得到這樣一個(gè)設(shè)備的功率分布是非常困難的一件事,更遑論整個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員需要獲知盡可能多的最佳信息,以及能夠幫助他們優(yōu)化特定應(yīng)用之功耗的技術(shù)和工具。
  幸運(yùn)的是,近年來,在DSP芯片的設(shè)計(jì)和制造工藝方面,都在不斷推出更先進(jìn)的功耗降低方法?,F(xiàn)在的片上功率優(yōu)化技術(shù)能夠提供更多的精細(xì)控制和更多的省電模式,以及關(guān)于處理器功耗的更完整的信息。更新型的DSP開發(fā)工具使設(shè)計(jì)人員得以更深入透徹地了解系統(tǒng)的功率消耗方式,并通過片上硬件來提供功耗降低技術(shù)。
  為了讓開發(fā)人員能夠更靈活地控制省電技術(shù),更好地協(xié)調(diào)眾多片上功能間的低功率工作和時(shí)序問題,DSP操作系統(tǒng)整合了多項(xiàng)功率管理功能。這些內(nèi)建功能及工具加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精心部署,DSP系統(tǒng)的功耗可得到大幅度降低。

  低功耗問題
  低功耗對(duì)所有的DSP系統(tǒng)都很重要,雖然理由因具體應(yīng)用而異。在網(wǎng)格供電系統(tǒng)中,降低功率就意味著降低開銷、提高可靠性,以及實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì),從而可以在相同的空間中集成更多的功能性,同時(shí)需要更少的風(fēng)扇和其它冷卻技術(shù)。在高清醫(yī)療成像等關(guān)鍵應(yīng)用產(chǎn)品中,器件工作產(chǎn)生的熱量甚至可能導(dǎo)致運(yùn)行故障,因此,低于設(shè)備最大額定值并增加對(duì)低功耗的要求是至關(guān)重要的。
  在便攜式電子系統(tǒng)中,低功耗有助于盡量減小系統(tǒng)的尺寸及重量,同時(shí)把電池充電后的使用時(shí)間延至最長(zhǎng)。較小電池的使用可進(jìn)一步降低系統(tǒng)的規(guī)模。更低的功率還有助于避免便攜式系統(tǒng)在延時(shí)使用期間過熱。因功耗降低,手機(jī)、PDA、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)和視頻攝像機(jī)這些電子儀器及其他手持式設(shè)備的尺寸都日趨纖小,工作溫度越來越低,而充電后的使用時(shí)間越來越長(zhǎng)。

  理解功率分布和芯片資源
  在任何類型的系統(tǒng)中,降低功率的第一步是了解系統(tǒng)的使用方式,以及這種使用是如何影響功耗的。比如,手機(jī)大部分時(shí)間都處于等待呼叫的狀態(tài)中,實(shí)際通話的時(shí)間相當(dāng)少。另一方面,MP3播放器通常不是開機(jī)處于激活運(yùn)行狀態(tài),就是處于關(guān)斷狀態(tài)。其它系統(tǒng)、線路供電系統(tǒng)以及便攜式系統(tǒng),都有著不同的待機(jī)功耗分布和激活工作功耗分布。
  了解功耗分布有助于設(shè)計(jì)人員選擇一個(gè)具功率效率的處理器,因?yàn)樵谀承╊愋偷膽?yīng)用中,DSP的基本CMOS技術(shù)可能對(duì)功耗產(chǎn)生很大的影響。先進(jìn)的CMOS工藝則基于工作電壓極低的高性能晶體管。根據(jù)既定應(yīng)用,可以量身定做晶體管,通過對(duì)靜態(tài)電流進(jìn)行鉗位把功耗降至最小,或把性能提高到最大,盡管這樣會(huì)稍微增加泄漏電流。專門為手機(jī)這樣的待機(jī)時(shí)間很長(zhǎng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的DSP,可通過低泄漏晶體管把靜態(tài)電流降至最低,而為總是處于激活狀態(tài)的高性能應(yīng)用而設(shè)計(jì)的DSP則較青睞開關(guān)速度更快的晶體管。
  系統(tǒng)使用還包括系統(tǒng)對(duì)各種事件的響應(yīng),以及電路接通電源時(shí)的延遲。初始上電時(shí)可能有一些延遲,而系統(tǒng)從待機(jī)模式被喚醒時(shí),較小的延遲是可以接受的。但用戶一般都期望處于激活工作狀態(tài)的系統(tǒng)能夠即時(shí)響應(yīng),故而這時(shí)片上功能不能處于深度睡眠模式。這里有兩方面的考慮:第一,部分功能可以較其它功能更徹底地關(guān)斷,尤其是在待機(jī)期間,激活工作期間也如此。第二,處理器的功率模式控制能力越精細(xì),設(shè)計(jì)人員就越能夠進(jìn)行充分的功耗調(diào)節(jié)以適合系統(tǒng)的操作情況。
  高功率效率的DSP芯片設(shè)計(jì)通過建立電源域,使應(yīng)用能夠切斷不在使用中的功能的時(shí)鐘輸入,從而把所有這些因素都考慮在內(nèi)了。正如處理內(nèi)核能夠進(jìn)入睡眠模式,此時(shí)它不執(zhí)行任何操作,直到被中斷信號(hào)喚醒,外設(shè)和存儲(chǔ)器模塊也同樣可以被置于睡眠模式,在需要時(shí)才被喚醒。無時(shí)鐘輸入功能中的晶體管除靜態(tài)電流之外,沒有什么功耗,而恢復(fù)時(shí)鐘所需的喚醒延遲被減至最小。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在考慮其產(chǎn)品的使用情況時(shí),還需要考慮到在為各項(xiàng)功能提供時(shí)鐘方面,DSP能夠提供多少控制能力,或是否能夠自動(dòng)處理。
  節(jié)能DSP內(nèi)建的另一項(xiàng)功能是能夠調(diào)節(jié)核心電壓和頻率。如果DSP可降低核心時(shí)鐘速率并仍然滿足其處理要求,則工作功耗會(huì)相應(yīng)地按比例節(jié)省。更低的頻率加上更低的工作電壓,可以節(jié)省相當(dāng)可觀的能量。可以在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率以適于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行,也可以在應(yīng)用需要改變時(shí)通過軟件對(duì)之予以動(dòng)態(tài)控制,這就為非峰值處理期間的功耗削減提供了一種重要的手段。

  正確功率信息的獲得
  復(fù)雜DSP系統(tǒng)可能具有多個(gè)內(nèi)核、應(yīng)用和管理模式,這使得對(duì)功率的估
  算極其困難。傳統(tǒng)的功率確定方法基于某些信息來實(shí)現(xiàn),比如器件數(shù)據(jù)手冊(cè)上注明的最大電流值,每周期或每條指令的耗電量(mA/MHz, mA/MIPS)以及測(cè)試案例等。
  這些方法只能用來做粗略估算,但對(duì)內(nèi)核、外設(shè)和片上存儲(chǔ)器可以根據(jù)應(yīng)用和操作模式進(jìn)行獨(dú)立開關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng)而言,是不足以估算DSP功耗的。設(shè)計(jì)人員需要清楚了解實(shí)際應(yīng)用中片上各項(xiàng)功能的具體功耗,因?yàn)閷?shí)際的功率信息使他們能夠更加精確地估算出不同實(shí)現(xiàn)方案的結(jié)果,并測(cè)定出在不同平臺(tái)上應(yīng)用是如何影響功耗的?! ≡贒SP制造方面,所需要的是模塊化的功率估算方案,即把設(shè)備劃分為若干子系統(tǒng),然后獨(dú)立運(yùn)行每一個(gè)子系統(tǒng)。一旦確定了每一個(gè)片上功能的最大功率值和空閑功率值,就可以通過插值法為一個(gè)功能建立一條功耗曲線。于是,在明確了每一功能的運(yùn)行級(jí)別之后,可以把從各條曲線獲得的功率值累加,最后給出整個(gè)設(shè)備的實(shí)際功率估算值。

  低功耗設(shè)計(jì)
  具有功耗意識(shí)的設(shè)計(jì)(Power-conscious design)技術(shù)可以幫助DSP設(shè)計(jì)人員充分利用正確的功率估算。在系統(tǒng)級(jí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)該精心選擇相關(guān)元件,使其數(shù)目盡可能地低。此外,設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該考慮到哪些未使用的元件可以置于省電模式,尤其是在待機(jī)期間。板級(jí)存儲(chǔ)器的使用也是一個(gè)功率消耗源,因?yàn)楸仨毻瑫r(shí)給存儲(chǔ)器芯片和電路板跡線供電。
  應(yīng)用應(yīng)該盡可能地使用DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)器,以保持片上大帶寬存儲(chǔ),把外部存儲(chǔ)器保留用作偶爾的低速存取。片外存儲(chǔ)器也可以很好地完成啟動(dòng)工作,但應(yīng)該在啟動(dòng)后被置于省電模式。為了減少存儲(chǔ)器中的代碼量和所取指令的數(shù)量,應(yīng)該優(yōu)化軟件提升性能。更緊湊的代碼有助于更好地利用緩存和內(nèi)部指令緩沖器,而且運(yùn)行速度更快,故能減少系統(tǒng)處于激活模式的時(shí)間。
  大多數(shù)特定設(shè)備都是利用DSP的內(nèi)建硬件能力來降低功耗的。從一啟動(dòng)開始,應(yīng)用設(shè)備就可以讓不使用的模塊處于空閑狀態(tài),外設(shè)功耗只限用于那些在指定時(shí)間才需要的I/O 。應(yīng)用通常在啟動(dòng)時(shí)就直接控制各個(gè)模塊,稍后,DSP內(nèi)核可以后臺(tái)執(zhí)行一個(gè)循環(huán)來檢測(cè)哪些功能不需要,然后把它們關(guān)斷。如果應(yīng)用采用了這些技術(shù),芯片的睡眠模式就可以把空閑期間內(nèi)核及芯片的功耗降至最低。
  若所要求的總體性能不等于設(shè)備的全部能力,則可以在啟動(dòng)時(shí)就對(duì)DSP內(nèi)核電壓和頻率(V/F)進(jìn)行調(diào)節(jié)。若系統(tǒng)在具有不同性能負(fù)載的應(yīng)用間更替,V/F調(diào)節(jié)也可以在運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)V/F調(diào)節(jié),設(shè)計(jì)必需提供DSP外部電源電壓控制,以及內(nèi)建于后臺(tái)循環(huán)程序的軟件控制。由于頻率調(diào)節(jié)減慢內(nèi)核的運(yùn)行速度,設(shè)計(jì)人員在應(yīng)用設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到相互關(guān)聯(lián)的各個(gè)操作間的時(shí)序問題。

  OS中的功率管理
  不論是通過V/F調(diào)節(jié)還是通過低功耗模式來動(dòng)態(tài)改變系統(tǒng)的功率要求,都需要涉及到DSP的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。RTOS中的功率管理(PM)模塊能夠在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)功耗節(jié)省,并在整個(gè)系統(tǒng)上協(xié)調(diào)各個(gè)低功耗操作。
  內(nèi)核頻率調(diào)節(jié)會(huì)影響子系統(tǒng)操作的時(shí)序,因此PM能夠在完成頻率調(diào)節(jié)之后進(jìn)行時(shí)鐘調(diào)節(jié)。如果對(duì)應(yīng)用來說OS時(shí)鐘精度不重要,或者是用戶希望節(jié)省空間,則可以不使用PM功能
  此外,當(dāng)線程被阻斷時(shí),用戶還可以激活或停用自動(dòng)使時(shí)鐘處于空閑狀態(tài)的PM功能。在其協(xié)調(diào)作用中,PM提供了一種用于功率事件通知的注冊(cè)功能,當(dāng)特定功率管理事件發(fā)生時(shí),客戶可以注冊(cè)通知,由于系統(tǒng)的復(fù)雜性,PM支持多個(gè)客戶端并允許客戶延遲事件的完成。
  PM還提供了一個(gè)應(yīng)用編程接口(API)庫(kù),可實(shí)現(xiàn)芯片的低功率技術(shù)軟件控制。通過這些API,應(yīng)用能夠門控時(shí)鐘,激活睡眠模式并安全管理V/F調(diào)節(jié)設(shè)置點(diǎn)之間的晶體管。這些設(shè)置點(diǎn)作為調(diào)節(jié)參數(shù),使V/F能夠按照正確的順序降低和提高,而且具有正確操作所必需的設(shè)置時(shí)間。

  工具的輔助開發(fā)功能
  要有效解決上述所有技術(shù)問題,需要一些專門為功率管理而設(shè)計(jì)的工具。類似于DSP工具開發(fā)的其它領(lǐng)域,功率優(yōu)化工具也致力于提供可視化和易于使用的優(yōu)勢(shì),以幫助簡(jiǎn)化系統(tǒng)分析并縮短上市時(shí)間。
  這些工具結(jié)合DSP的嵌入式及RTOS功率管理技術(shù),可以提供計(jì)量表、示波器波形、信道校準(zhǔn)、測(cè)試代碼和事件觸發(fā)等等測(cè)試功能。利用這些便捷功能,設(shè)計(jì)人員可得到一個(gè)反饋機(jī)制,憑此評(píng)估各個(gè)實(shí)現(xiàn)方案對(duì)功耗的影響,最終獲得一個(gè)最佳方案。

  從一開始就進(jìn)行功率設(shè)計(jì)
  在系統(tǒng)開發(fā)中,功率優(yōu)化有時(shí)被當(dāng)作一項(xiàng)事后工作來處理,但這是不對(duì)的。在開發(fā)周期中,越早考慮功率優(yōu)化問題越好,對(duì)于具有多個(gè)應(yīng)用和工作模式的復(fù)雜系統(tǒng)而言尤其如是。為了延長(zhǎng)電池工作時(shí)間,低功耗通常是主要的要求之一,即使是線路供電系統(tǒng)也需要通過降低耗電量來減少散熱和運(yùn)行成本。
  為了優(yōu)化功耗,設(shè)計(jì)人員需要了解系統(tǒng)的功率分布,以提供全面的參考信息源,從而在功率估算中把所有主要的系統(tǒng)功能都考慮在內(nèi)?;诟吖β市实腃MOS工藝的DSP集成了硬件技術(shù),比如精細(xì)定義的低功率模式和電壓/頻率調(diào)節(jié)。API使這些技術(shù)很容易通過RTOS實(shí)現(xiàn)應(yīng)用控制,測(cè)試工具可幫助設(shè)計(jì)人員估算出不同實(shí)現(xiàn)方案的功耗。利用這些資源,開發(fā)人員有充分的理由從開發(fā)周期的最開始就進(jìn)行功率設(shè)計(jì)。

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