使用雙處理器延長(zhǎng)電池壽命
[導(dǎo)讀]在面臨必須延長(zhǎng)電池壽命的需求時(shí)，很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師認(rèn)為單個(gè)芯片所消耗的功耗比兩個(gè)芯片要少。原因似乎很簡(jiǎn)單：芯片間通信比單個(gè)芯片工作消耗更多的功耗，兩個(gè)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(diǎn)迎頭一擊。
DSP設(shè)計(jì)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(duì)工程師更為有用。但這種更強(qiáng)大的芯片在完成簡(jiǎn)單的內(nèi)務(wù)管理或監(jiān)控任務(wù)時(shí)，會(huì)消耗比該任務(wù)所需更多的功耗。在多種情況下，設(shè)計(jì)師無(wú)法只啟用DSP芯片中所需部分的功能。
在面臨必須延長(zhǎng)電池壽命的需求時(shí)，很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師認(rèn)為單個(gè)芯片所消耗的功耗比兩個(gè)芯片要少。原因似乎很簡(jiǎn)單：芯片間通信比單個(gè)芯片工作消耗更多的功耗，兩個(gè)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(diǎn)迎頭一擊。
DSP設(shè)計(jì)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(duì)工程師更為有用。但這種更強(qiáng)大的芯片在完成簡(jiǎn)單的內(nèi)務(wù)管理或監(jiān)控任務(wù)時(shí)，會(huì)消耗比該任務(wù)所需更多的功耗。在多種情況下，設(shè)計(jì)師無(wú)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(gè)低功耗DSP作為主處理器，另一個(gè)低功耗MCU作為系統(tǒng)監(jiān)控器，就可延長(zhǎng)單個(gè)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(shí)要考慮以下因素：
*尋找較大容量的片上內(nèi)存。DSP訪問(wèn)芯片外存儲(chǔ)器時(shí)總會(huì)消耗更多功耗。外部DRAM存儲(chǔ)需要恒定的功耗，這會(huì)消耗電池的電能。
*選擇一個(gè)可啟動(dòng)和關(guān)閉外設(shè)的DSP。有一些DSP可對(duì)不活動(dòng)的片上外設(shè)自動(dòng)斷電，這種能力提供了多種級(jí)別的控制和功耗節(jié)省。
*選擇一個(gè)在不同功耗級(jí)別能實(shí)現(xiàn)多種待機(jī)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(dòng)態(tài)改變芯片的電壓和頻率、管理電源狀態(tài)，幫助他們?cè)u(píng)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(jì)師優(yōu)化低功耗運(yùn)行?？上У氖牵凸墓に嚂?huì)限制MCU性能。例如，一個(gè)Texas Instruments MSP430 MCU在待機(jī)模式下消耗500nA電流，最大時(shí)鐘頻率為16MHz。而TMS320C5506 DSP運(yùn)行的最大時(shí)鐘頻率為108MHz，在待機(jī)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(dòng)狀態(tài)。但新的中斷驅(qū)動(dòng)（interrupt-driven）外設(shè)只需要較少的軟件開銷，允許MCU在多數(shù)時(shí)間保持待機(jī)模式。以內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）硬件為例，它可自動(dòng)掃描輸入通道、觸發(fā)器轉(zhuǎn)換和執(zhí)行DMA傳輸，來(lái)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(yùn)行，CPU只用很少的時(shí)間為其提供服務(wù)，MCU節(jié)省了功耗。
多時(shí)鐘降低功耗要求
MCU的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可幫助降低功耗。圖1中的電路圖顯示了由單個(gè)晶體運(yùn)行的兩個(gè)時(shí)鐘。MCU通常使用一個(gè)32kHz晶體，但不一定會(huì)同時(shí)生成內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)、系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）和輔助時(shí)鐘（ACLK）信號(hào)。通常，晶體只生成ACLK信號(hào)。MCU的低功耗外設(shè)使用同時(shí)驅(qū)動(dòng)MCU實(shí)時(shí)時(shí)鐘的32kHz輔助時(shí)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(shí)鐘信號(hào)。
DCO能以幾種方式生成時(shí)鐘信號(hào)，每種都有不同的性能和功耗特點(diǎn)。從低到高的功耗，這些時(shí)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(jì)師在閑置模式下使用最低的時(shí)鐘(VLO或32kHz晶體)，當(dāng)應(yīng)用需要CPU的活動(dòng)處理時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高頻DCO。DCO可在不到1µs的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)并達(dá)到完全穩(wěn)定。這種“即時(shí)啟用”的能力節(jié)省了時(shí)間和功耗。注意，在活動(dòng)處理過(guò)程中使用低頻率的低功耗時(shí)鐘會(huì)比切換到更快的時(shí)鐘下消耗更多的的功耗。在較高的功耗活動(dòng)模式下，低頻時(shí)鐘使CPU花費(fèi)更多的時(shí)間在特定的任務(wù)上。
除了對(duì)某些外設(shè)使用低速時(shí)鐘節(jié)省功耗外，MSP430 MCU還提供了超低功耗振蕩器來(lái)生成ACLK信號(hào)。在其待機(jī)功耗運(yùn)行模式(LPM3)下，在ACLK運(yùn)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(shí)時(shí)的時(shí)鐘或管理電池充電過(guò)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(lái)，使其可執(zhí)行其擅長(zhǎng)的的信號(hào)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(jì)實(shí)現(xiàn)出色成效。試想有一依賴高端DSP來(lái)處理監(jiān)控任務(wù)的系統(tǒng)。該處理器很快就會(huì)用盡一個(gè)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(huì)耗盡。雙處理器應(yīng)用可將電流降低到1mA，使電池延長(zhǎng)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(shí)時(shí)時(shí)鐘維護(hù)
*電源排序
*電源監(jiān)控與重置
*鍵盤或人機(jī)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(gè)電源“軌”，以保證DSP和外圍設(shè)備正常工作。通常，這些軌同時(shí)對(duì)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(guò)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(duì)電源電壓進(jìn)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?dòng)三個(gè)電源穩(wěn)壓器電路。MCU使用其內(nèi)部ADC檢測(cè)各個(gè)電源軌何時(shí)達(dá)到適當(dāng)?shù)碾妷?。?dāng)總電路不需要DSP芯片時(shí)，MCU可以關(guān)閉穩(wěn)壓器以關(guān)閉DSP。
實(shí)際上，MCU可直接與壓控制振蕩器通信來(lái)控制DSP的電壓和頻率，或與PLL通信控制DSP的時(shí)鐘頻率。因此，當(dāng)DSP完成計(jì)算密集的任務(wù)時(shí)，MCU可調(diào)節(jié)時(shí)鐘將DSP轉(zhuǎn)為待機(jī)模式以節(jié)省功耗。
雙向監(jiān)控允許MCU“檢測(cè)”DSP以了解其忙碌狀態(tài)。在此模式下，MCU作為智能控制器運(yùn)行。另一方面，DSP可對(duì)MCU進(jìn)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(shí)鐘。
利用MCU完成DSP通常在單個(gè)處理器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的其它任務(wù)，設(shè)計(jì)師還可獲得更多的好處。例如，在處理鍵盤操作時(shí)，MCU比DSP消耗更少的功耗。MCU只在檢測(cè)到按鍵或釋放按鍵的動(dòng)作后，才發(fā)送中斷信號(hào)到DSP。這種方式有助于避免由擊鍵造成的過(guò)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(jìn)一步解脫DSP芯片的負(fù)荷，監(jiān)控MCU可提供：
*段式LCD的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)啟動(dòng)”。因此，MCU不會(huì)連續(xù)地輪詢外設(shè)來(lái)確定哪個(gè)需要服務(wù)，也不會(huì)消耗最大功耗來(lái)進(jìn)行該任務(wù)。外設(shè)會(huì)根據(jù)需要啟動(dòng)。
低功耗便攜應(yīng)用中的每一個(gè)毫瓦都是十分寶貴的。最后，設(shè)計(jì)師必須根據(jù)對(duì)計(jì)算、測(cè)量和功能及運(yùn)行DSP或MCU間的全面考慮，來(lái)確定在應(yīng)用中是使用一個(gè)還是兩個(gè)處理器。
DSP設(shè)計(jì)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(duì)工程師更為有用。但這種更強(qiáng)大的芯片在完成簡(jiǎn)單的內(nèi)務(wù)管理或監(jiān)控任務(wù)時(shí)，會(huì)消耗比該任務(wù)所需更多的功耗。在多種情況下，設(shè)計(jì)師無(wú)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(gè)低功耗DSP作為主處理器，另一個(gè)低功耗MCU作為系統(tǒng)監(jiān)控器，就可延長(zhǎng)單個(gè)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(shí)要考慮以下因素：
*尋找較大容量的片上內(nèi)存。DSP訪問(wèn)芯片外存儲(chǔ)器時(shí)總會(huì)消耗更多功耗。外部DRAM存儲(chǔ)需要恒定的功耗，這會(huì)消耗電池的電能。
*選擇一個(gè)可啟動(dòng)和關(guān)閉外設(shè)的DSP。有一些DSP可對(duì)不活動(dòng)的片上外設(shè)自動(dòng)斷電，這種能力提供了多種級(jí)別的控制和功耗節(jié)省。
*選擇一個(gè)在不同功耗級(jí)別能實(shí)現(xiàn)多種待機(jī)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(dòng)態(tài)改變芯片的電壓和頻率、管理電源狀態(tài)，幫助他們?cè)u(píng)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(jì)師優(yōu)化低功耗運(yùn)行?？上У氖牵凸墓に嚂?huì)限制MCU性能。例如，一個(gè)Texas Instruments MSP430 MCU在待機(jī)模式下消耗500nA電流，最大時(shí)鐘頻率為16MHz。而TMS320C5506 DSP運(yùn)行的最大時(shí)鐘頻率為108MHz，在待機(jī)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(dòng)狀態(tài)。但新的中斷驅(qū)動(dòng)（interrupt-driven）外設(shè)只需要較少的軟件開銷，允許MCU在多數(shù)時(shí)間保持待機(jī)模式。以內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）硬件為例，它可自動(dòng)掃描輸入通道、觸發(fā)器轉(zhuǎn)換和執(zhí)行DMA傳輸，來(lái)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(yùn)行，CPU只用很少的時(shí)間為其提供服務(wù)，MCU節(jié)省了功耗。
多時(shí)鐘降低功耗要求
MCU的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)還可幫助降低功耗。圖1中的電路圖顯示了由單個(gè)晶體運(yùn)行的兩個(gè)時(shí)鐘。MCU通常使用一個(gè)32kHz晶體，但不一定會(huì)同時(shí)生成內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)、系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）和輔助時(shí)鐘（ACLK）信號(hào)。通常，晶體只生成ACLK信號(hào)。MCU的低功耗外設(shè)使用同時(shí)驅(qū)動(dòng)MCU實(shí)時(shí)時(shí)鐘的32kHz輔助時(shí)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(shí)鐘信號(hào)。
DCO能以幾種方式生成時(shí)鐘信號(hào)，每種都有不同的性能和功耗特點(diǎn)。從低到高的功耗，這些時(shí)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(jì)師在閑置模式下使用最低的時(shí)鐘(VLO或32kHz晶體)，當(dāng)應(yīng)用需要CPU的活動(dòng)處理時(shí)，實(shí)現(xiàn)了高頻DCO。DCO可在不到1µs的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)并達(dá)到完全穩(wěn)定。這種“即時(shí)啟用”的能力節(jié)省了時(shí)間和功耗。注意，在活動(dòng)處理過(guò)程中使用低頻率的低功耗時(shí)鐘會(huì)比切換到更快的時(shí)鐘下消耗更多的的功耗。在較高的功耗活動(dòng)模式下，低頻時(shí)鐘使CPU花費(fèi)更多的時(shí)間在特定的任務(wù)上。
除了對(duì)某些外設(shè)使用低速時(shí)鐘節(jié)省功耗外，MSP430 MCU還提供了超低功耗振蕩器來(lái)生成ACLK信號(hào)。在其待機(jī)功耗運(yùn)行模式(LPM3)下，在ACLK運(yùn)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(shí)時(shí)的時(shí)鐘或管理電池充電過(guò)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(lái)，使其可執(zhí)行其擅長(zhǎng)的的信號(hào)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(jì)實(shí)現(xiàn)出色成效。試想有一依賴高端DSP來(lái)處理監(jiān)控任務(wù)的系統(tǒng)。該處理器很快就會(huì)用盡一個(gè)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(huì)耗盡。雙處理器應(yīng)用可將電流降低到1mA，使電池延長(zhǎng)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(shí)時(shí)時(shí)鐘維護(hù)
*電源排序
*電源監(jiān)控與重置
*鍵盤或人機(jī)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(gè)電源“軌”，以保證DSP和外圍設(shè)備正常工作。通常，這些軌同時(shí)對(duì)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(guò)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(duì)電源電壓進(jìn)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?dòng)三個(gè)電源穩(wěn)壓器電路。MCU使用其內(nèi)部ADC檢測(cè)各個(gè)電源軌何時(shí)達(dá)到適當(dāng)?shù)碾妷?。?dāng)總電路不需要DSP芯片時(shí)，MCU可以關(guān)閉穩(wěn)壓器以關(guān)閉DSP。
實(shí)際上，MCU可直接與壓控制振蕩器通信來(lái)控制DSP的電壓和頻率，或與PLL通信控制DSP的時(shí)鐘頻率。因此，當(dāng)DSP完成計(jì)算密集的任務(wù)時(shí)，MCU可調(diào)節(jié)時(shí)鐘將DSP轉(zhuǎn)為待機(jī)模式以節(jié)省功耗。
雙向監(jiān)控允許MCU“檢測(cè)”DSP以了解其忙碌狀態(tài)。在此模式下，MCU作為智能控制器運(yùn)行。另一方面，DSP可對(duì)MCU進(jìn)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(shí)鐘。
利用MCU完成DSP通常在單個(gè)處理器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的其它任務(wù)，設(shè)計(jì)師還可獲得更多的好處。例如，在處理鍵盤操作時(shí)，MCU比DSP消耗更少的功耗。MCU只在檢測(cè)到按鍵或釋放按鍵的動(dòng)作后，才發(fā)送中斷信號(hào)到DSP。這種方式有助于避免由擊鍵造成的過(guò)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(jìn)一步解脫DSP芯片的負(fù)荷，監(jiān)控MCU可提供：
*段式LCD的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)啟動(dòng)”。因此，MCU不會(huì)連續(xù)地輪詢外設(shè)來(lái)確定哪個(gè)需要服務(wù)，也不會(huì)消耗最大功耗來(lái)進(jìn)行該任務(wù)。外設(shè)會(huì)根據(jù)需要啟動(dòng)。
低功耗便攜應(yīng)用中的每一個(gè)毫瓦都是十分寶貴的。最后，設(shè)計(jì)師必須根據(jù)對(duì)計(jì)算、測(cè)量和功能及運(yùn)行DSP或MCU間的全面考慮，來(lái)確定在應(yīng)用中是使用一個(gè)還是兩個(gè)處理器。
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