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作者：Stuart Cording，德州儀器 (TI) 應用工程師
Lori Vidra，TI eXpressDSP" title="DSP">DSP開發工具市場營銷經理

許多電池供電的手持系統都要求具備數字信號處理功能，設計這種產品時，我們必須高度重視功耗問題" title="功耗問題">功耗問題。

選擇具備所有必需的計算能力且還能滿足設計功耗要求的DSP，使設計要么取得顯著成功，要么徹底失敗，設計小組不得不進行昂貴的再設計。

不過，大多數設計工程師已經痛苦地了解到，傳統 DSP 功耗估算方法最多也只能獲得近似值，因此我們需要用軟件來管理功耗并估算功耗的新技術。

數據表不夠用

以前，設計小組選擇處理器時首先要查看備選DSP的數據表。以 mA/MIP 或mA/MHz 為單位的測量值通常與芯片的最大 IDD 配套提供。幾乎所有數據表都提供上述信息。

上述數據的問題在于，功耗很大程度上取決于應用本身，而數據表中的統計數據往往不能完全符合實際應用。

半導體公司認識到上述問題，通常只給出基本情況，供估算功耗數值參考。舉例來說，常見的 TI DSP 會給出以下工作情況：CPU 執行 75% 雙 MAC 和 25% ADD，數據總線活動適中（正弦波形圖表）。CPU 及 CLKGEN (DPLL) 域處于工作狀態中。

除非設計小組的應用情況與上述描述一致，否則數據表中的數據僅用于比較同一制造商推出的類似芯片。事實上，其他半導體公司很可能會在不同情況下測量功耗。

還有一些情況會使得數據表上的數據更加值得懷疑，這對那些面臨嚴格功耗限制的設計人員提出了更嚴峻的挑戰。

• DSP是復雜的芯片，其包括休眠模式和斷電模式等節電功能。上述功能會將單次估算中的誤差加以放大。
• 數據表未考慮到功耗實際上由兩部分組成：工作在內核電壓源上的處理器和工作在 I/O 電源上的外設" title="外設">外設都涉及功耗問題。
• 設計小組希望用不同的實施方法和平臺比較功耗。

由于面臨上述挑戰，設計小組往往需要構建原型板，并根據不同處理器、實施方法及平臺等因素對功耗加以估算。上述方法盡管要花很多時間而且成本不菲，但至少還能為我們提供比較精確的數據。

變量測量

我們對估算不同情況及實施方法下的功耗所用的方法已經有了較好的了解。只有經過細分，并根據實際測量得出的數據才會更加有用。具體過程通常如下：

• 將芯片分為子系統；
• 獨立執行每個子系統；
• 用減法分析來確定每個子系統的功耗；
• 確定每個子系統的最大功耗及閑置功耗；
• 用內插法估算子系統功耗；
• 最后用疊加法估算芯片功耗。

我們通常將經測量得出的數據連同制造商給出的數據（如內核電壓）制成電子數據表，并通過適當運算進行估算。如圖 1 所示，右側的灰白部分即為功耗估算結果。

圖1. 電子數據表有一定的用處，但仍不能反映實際情況。

這種方法與數據表值比較法相比盡管有一定改進，但仍需進一步完善。舉例來說，我們不妨假設主要用于過濾應用的 DSP，其工作時間約占 20%，待機時間約占80%。

目前的 DSP 需要考慮到占空比問題，這有助于節電。舉例來說，芯片不工作時，電壓可降至待機數值。頻率在 CMOS 功耗中起主要作用，如果芯片不參與過濾工作，那么我們就能降低頻率。

電源優化技術

TI 等半導體廠商努力推出芯片級電源控制技術。以前設計小組是無法應用這種特性的?，F在，設計人員能通過軟件發揮電源優化技術的優勢。

為了說明如何實現上述工作，我們不妨先來看看設計小組能采用哪些優化性能的方法。

在芯片自身內部，系統設計人員能采用深度休眠模式、動態電壓和頻率縮放等技術，而且還能在芯片閑置時關閉不必要的資源。

我們還能在系統啟動過程中節約大量電力。通常說來，啟動過程中會開啟所有系統，不過我們可以讓那些應用及啟動過程中不用的部分關閉或保持閑置狀態。

我們在軟件代碼優化時也要想到功耗問題。通常的規律是，我們應以盡可能小的占用空間集成盡可能多的必需功能，這樣可以縮減存儲器的占用面積。不過，由于應用不得不更頻繁的執行代碼，這種做法往往會導致功耗的加大。

編寫代碼時還應減少指令存取的數量，并優化緩存和內部指令緩沖。上述措施都有助于節約DSP的工作模式時間，并最大化閑置時間，以此來降低頻率和電壓。

我們還能用其他技術來實現系統級控制，包括：

• 認真選擇組件
• 盡可能減少組件數量
• 首先采用內部存儲器來最小化芯片間的功率損耗
• 對于啟動或低速運算以及偶爾用到的功能采用外部存儲器
• 啟動后給啟動存儲器斷電

新一代電源控制技術

通常說來，半導體廠商在芯片中內置的節電功能會自動工作，舉例來說，芯片進入閑置狀態后電壓和頻率就會自動降低。

不過，我們現在有了更尖端的技術，系統設計人員現在能對 DSP BIOS 進行工作，從而進一步加強電源管理。

自動的電壓或頻率縮放是一種有用的特性。不過 DSP 的內核電壓快速變動往往會對外設造成意料不到的影響。操作系統的時基可能會因頻率變動而受到影響，有些外設驅動程序可能需要了解頻率和電源狀態的變化，這樣才能繼續有效工作。

操作系統調度程序的有效性也會因為頻率縮放而受影響。通常說來，系統應進行協調，以確保安全的電壓和頻率控制，適當地進入閑置狀態。

半導體廠商通過創建DSP BIOS功率調整程序庫" title="程序庫">程序庫，可實現更高級的功耗控制，同時還能確保避免因電壓和頻率縮放而發生問題。通過GPIO引腳向外設發送消息，我們還能將上述控制技術從芯片延伸到外設。

圖2顯示了功率調整例程的實例（如下圖中的 PSL），設計人員通過代碼編寫，可從程序庫中直接調用。

我們不妨假設 DSP 正在運行非常復雜的算法。通常說來，內核電壓為 1.6V，頻率為 200 MHz，如圖 2 中左側藍線所示。不過，當未運行算法時，我們可用功率調整程序庫將頻率降至 72 MHz。

一般來說，內核電壓會保持為1.6V。不過我們也可用功率調整程序庫安全地將電壓降至1.2V，從而在算法不運行期間使功耗進一步降低 30 mW。

TI 率先在其TMS320VC5509A DSP中采用功率調整程序庫，這就是本例所用的DSP。

圖2. 功率調整程序庫功能實現功耗微調。

新一代功耗估算技術

除了上述各種功耗工具的幫助之外，設計人員還需要想辦法估算整個系統的功率。解決這一問題的最新方法需要將半導體公司提供的軟件與虛擬儀表廠商（如美國國家儀器公司National Instruments）提供的硬件進行集成。

在采用這種方法時，開發人員可利用美國國家儀器公司提供的 LabView 來監控實際應用過程中芯片的執行情況。TI 在數據表中提供了有關 TMS320VC5509 的豐富功率測試數據。

采用 LabView 和 C55 電源優化 DSK (C55 Power Optimization DSP Starter Kit)，設計小組能嘗試采用不同的實施方案，并用類似于圖 3 所示的 GUI 工具對功耗加以調節。

圖3. 調節DSP 內核、I/O及電路板功耗。

我們可用上述工具包探索各種設計方案，并分別測得 DSP 內核、DSP I/O 以及包括閃存存儲器、編解碼器及其他外設在內的整個電路板的高精度功耗。

通過結合采用上述創新方法來控制芯片功耗并估算系統功耗，設計人員能夠獲得一種功能強大的新型方法，適用于功耗要求嚴格的 DSP 應用。