使用雙處理器延長電池壽命

在面臨必須延長電池壽命的需求時，很多系統(tǒng)設(shè)計師認為單個芯片所消耗的功耗比兩個芯片要少。原因似乎很簡單：芯片間通信比單個芯片工作消耗更多的功耗，兩個芯片上有更多的晶體管，因此要比有相同功能的單芯片有更多的漏電流。但功耗節(jié)省技術(shù)卻給這種傳統(tǒng)觀點迎頭一擊。

DSP設(shè)計師將更多的功能，如加速器、通信模塊和網(wǎng)絡(luò)外設(shè)集成到DSP芯片上，使芯片對工程師更為有用。但這種更強大的芯片在完成簡單的內(nèi)務(wù)管理或監(jiān)控任務(wù)時，會消耗比該任務(wù)所需更多的功耗。在多種情況下，設(shè)計師無法只啟用DSP芯片中所需部分的功能。

在某些應(yīng)用中，微控制器(MCU)可執(zhí)行相同的系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，而比DSP消耗更少的功耗。所以，雙芯片的架構(gòu)：DSP及MCU也是可行的。因此，使用一個低功耗DSP作為主處理器，另一個低功耗MCU作為系統(tǒng)監(jiān)控器，就可延長單個DSP完成相同任務(wù)所消耗的電池壽命。為了幫助節(jié)省功耗，工程師在選擇DSP時要考慮以下因素：

*尋找較大容量的片上內(nèi)存。DSP訪問芯片外存儲器時總會消耗更多功耗。外部DRAM存儲需要恒定的功耗，這會消耗電池的電能。

*選擇一個可啟動和關(guān)閉外設(shè)的DSP。有一些DSP可對不活動的片上外設(shè)自動斷電，這種能力提供了多種級別的控制和功耗節(jié)省。

*選擇一個在不同功耗級別能實現(xiàn)多種待機狀態(tài)的DSP。多電源可節(jié)省更多能耗。

*選擇提供了能優(yōu)化功耗使用并降低功耗的開發(fā)軟件的DSP。工具應(yīng)讓開發(fā)人員輕松地動態(tài)改變芯片的電壓和頻率、管理電源狀態(tài)，幫助他們評估和分析功耗信息。

MCU消耗較少電流

在某些應(yīng)用中的MCU中，低功耗的半導(dǎo)體工藝可降低晶體管漏電流，幫助芯片設(shè)計師優(yōu)化低功耗運行?？上У氖?，低功耗工藝會限制MCU性能。例如，一個Texas Instruments MSP430 MCU在待機模式下消耗500nA電流，最大時鐘頻率為16MHz。而TMS320C5506 DSP運行的最大時鐘頻率為108MHz，在待機模式下消耗10µA電流。這表明它消耗了比MSP430高出20倍的電流。

從以前的發(fā)展歷程上看，一直由軟件控制內(nèi)部MCU外設(shè)，這表明CPU總保持活動狀態(tài)。但新的中斷驅(qū)動（interrupt-driven）外設(shè)只需要較少的軟件開銷，允許MCU在多數(shù)時間保持待機模式。以內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）硬件為例，它可自動掃描輸入通道、觸發(fā)器轉(zhuǎn)換和執(zhí)行DMA傳輸，來處理接收的數(shù)據(jù)采樣任務(wù)。結(jié)果，ADC幾乎是自發(fā)地運行，CPU只用很少的時間為其提供服務(wù)，MCU節(jié)省了功耗。

多時鐘降低功耗要求

MCU的時鐘系統(tǒng)設(shè)計還可幫助降低功耗。圖1中的電路圖顯示了由單個晶體運行的兩個時鐘。MCU通常使用一個32kHz晶體，但不一定會同時生成內(nèi)部時鐘信號、系統(tǒng)時鐘（MCLK）和輔助時鐘（ACLK）信號。通常，晶體只生成ACLK信號。MCU的低功耗外設(shè)使用同時驅(qū)動MCU實時時鐘的32kHz輔助時鐘，高速數(shù)字控制振蕩器(DCO)生成CPU和高速外設(shè)的系統(tǒng)時鐘信號。



DCO能以幾種方式生成時鐘信號，每種都有不同的性能和功耗特點。從低到高的功耗，這些時鐘模式有超低功耗振蕩器（VLO）、3kHz晶體到DCO。為了降低功耗，設(shè)計師在閑置模式下使用最低的時鐘(VLO或32kHz晶體)，當(dāng)應(yīng)用需要CPU的活動處理時，實現(xiàn)了高頻DCO。DCO可在不到1µs的時間內(nèi)進入活動狀態(tài)并達到完全穩(wěn)定。這種“即時啟用”的能力節(jié)省了時間和功耗。注意，在活動處理過程中使用低頻率的低功耗時鐘會比切換到更快的時鐘下消耗更多的的功耗。在較高的功耗活動模式下，低頻時鐘使CPU花費更多的時間在特定的任務(wù)上。

除了對某些外設(shè)使用低速時鐘節(jié)省功耗外，MSP430 MCU還提供了超低功耗振蕩器來生成ACLK信號。在其待機功耗運行模式(LPM3)下，在ACLK運行和所有中斷啟用狀態(tài)下，MSP430 MCU通常消耗不到1 µA的電流。所以，低功耗的MCU在保持實時的時鐘或管理電池充電過程中比DSP消耗更少的功耗。而且，將這些任務(wù)交給MCU也可將DSP解脫出來，使其可執(zhí)行其擅長的的信號處理任務(wù)。

功耗節(jié)約卓有成效

工程師可看到雙處理器設(shè)計實現(xiàn)出色成效。試想有一依賴高端DSP來處理監(jiān)控任務(wù)的系統(tǒng)。該處理器很快就會用盡一個2,500mAh的鎳氫AA電池。如果平均電流消耗為10mA，兩節(jié)串聯(lián)電池在10.5天內(nèi)就會耗盡。雙處理器應(yīng)用可將電流降低到1mA，使電池延長到120天。

雙處理器系統(tǒng)中MCU為降低功耗，所能處理的某些系統(tǒng)或監(jiān)控功能包括：

*實時時鐘維護
*電源排序
*電源監(jiān)控與重置
*鍵盤或人機接口管理
*電池管理
*顯示器控制

管理DSP電源

許多DSP需要必須以固定的順序施加電源的多個電源“軌”，以保證DSP和外圍設(shè)備正常工作。通常，這些軌同時對核心(CPU)及DDR內(nèi)存和I/O設(shè)備供電。盡管專用器件可通過固定的順序?qū)SP芯片施加電壓，但其不能執(zhí)行其它功能。較小的低功耗MCU可對電源電壓進行排序并監(jiān)控，并執(zhí)行電源控制任務(wù)(圖2)。在此例中，軟件以適當(dāng)?shù)捻樞騿尤齻€電源穩(wěn)壓器電路。MCU使用其內(nèi)部ADC檢測各個電源軌何時達到適當(dāng)?shù)碾妷?。?dāng)總電路不需要DSP芯片時，MCU可以關(guān)閉穩(wěn)壓器以關(guān)閉DSP。



實際上，MCU可直接與壓控制振蕩器通信來控制DSP的電壓和頻率，或與PLL通信控制DSP的時鐘頻率。因此，當(dāng)DSP完成計算密集的任務(wù)時，MCU可調(diào)節(jié)時鐘將DSP轉(zhuǎn)為待機模式以節(jié)省功耗。

雙向監(jiān)控允許MCU“檢測”DSP以了解其忙碌狀態(tài)。在此模式下，MCU作為智能控制器運行。另一方面，DSP可對MCU進行讀寫操作。所以DSP可根據(jù)應(yīng)用的需要，通知MCU降低或提高DSP時鐘。

利用MCU完成DSP通常在單個處理器系統(tǒng)中實現(xiàn)的其它任務(wù)，設(shè)計師還可獲得更多的好處。例如，在處理鍵盤操作時，MCU比DSP消耗更少的功耗。MCU只在檢測到按鍵或釋放按鍵的動作后，才發(fā)送中斷信號到DSP。這種方式有助于避免由擊鍵造成的過多電流消耗，該情況經(jīng)常出現(xiàn)在某些手持設(shè)備中。為了進一步解脫DSP芯片的負荷，監(jiān)控MCU可提供：

*段式LCD的驅(qū)動電路
*標(biāo)準(zhǔn)SPI、UART和I2C端口
*用于射頻通信外設(shè)的接口
*電池管理電路
*通用I/O端口

對上述及以前提到的其它每種外設(shè)，MCU都可從低功耗模式“自動啟動”。因此，MCU不會連續(xù)地輪詢外設(shè)來確定哪個需要服務(wù)，也不會消耗最大功耗來進行該任務(wù)。外設(shè)會根據(jù)需要啟動。

低功耗便攜應(yīng)用中的每一個毫瓦都是十分寶貴的。最后，設(shè)計師必須根據(jù)對計算、測量和功能及運行DSP或MCU間的全面考慮，來確定在應(yīng)用中是使用一個還是兩個處理器。