Portable Products為低功耗設(shè)計(jì)選擇理想的處理器

過去，選用低功耗CPU通常意味著需要犧牲功能、降低時(shí)鐘運(yùn)行速度，或需要等待新型低功耗技術(shù)的推出才能降低待機(jī)和工作功耗?，F(xiàn)在，這種情況已得到了徹底改觀，處理器產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。處理技術(shù)的不斷發(fā)展，創(chuàng)新型芯片設(shè)計(jì)和高精度電源管理軟件的不斷進(jìn)步，為設(shè)計(jì)人員帶來了全新的低功耗處理器系列產(chǎn)品，使設(shè)計(jì)人員再也不用犧牲系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能。當(dāng)然，沒有哪種產(chǎn)品是十全十美的，因此工程師必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)需求，分析不斷豐富的低功耗處理器產(chǎn)品，選出最能滿足其應(yīng)用要求的解決方案。

本文對(duì)采用不同處理器架構(gòu)的器件在功耗、性能、集成度、上市時(shí)間及價(jià)格等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)上的表現(xiàn)進(jìn)行了比較。了解處理器信息可實(shí)現(xiàn)兩大目標(biāo)：一是幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解市場(chǎng)上最新的處理器類型，其中有些可能對(duì)他們而言是相對(duì)不太熟悉的新產(chǎn)品；二是在可選產(chǎn)品日趨豐富的情況下，可進(jìn)一步幫他們縮小為既定設(shè)計(jì)選擇最佳芯片的范圍。 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

表1即對(duì)采用不同低功耗處理架構(gòu)的器件進(jìn)行了五方面的比較，包括：功耗、性能、集成度、上市時(shí)間及價(jià)格。這五個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間都是彼此密切相關(guān)的。例如，在芯片上集成多個(gè)內(nèi)核、模擬特性、大容量存儲(chǔ)器或眾多外設(shè)等多種功能有助于降低系統(tǒng)總功耗與成本，并顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。但是，這樣的高集成度在某種程度上又會(huì)增加功耗，并使編程更復(fù)雜，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品上市時(shí)間。

功耗

對(duì)目前眾多設(shè)計(jì)而言，功耗是最重要的標(biāo)準(zhǔn)。在便攜式產(chǎn)品中，更長(zhǎng)的電池使用時(shí)間總是更容易獲得消費(fèi)者青睞。在通信基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中，功耗轉(zhuǎn)換越低，熱量耗散就越少，但散熱組件可能會(huì)限制通道密度及其它特性。此外，有些設(shè)計(jì)對(duì)功耗有嚴(yán)格限制，如采用USB供電的產(chǎn)品或使用汽車電池的車載配件，這種應(yīng)用就限定僅能有幾毫瓦的運(yùn)行功率。

設(shè)計(jì)師應(yīng)該從系統(tǒng)的角度更好地認(rèn)識(shí)功耗。片上外設(shè)的正確組合有助于進(jìn)一步降低總體系統(tǒng)功耗，這不僅是因?yàn)槠馄骷?huì)消耗更多的功率，還因?yàn)樵赑CB板上的引線之間傳輸數(shù)據(jù)所消耗的電力要比在器件內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)所消耗的電力多得多。

就單獨(dú)的器件而言，其能源效率取決于工藝技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，不過高級(jí)處理器除了先進(jìn)工藝之外，還有眾多其它功能。功耗可分為兩大模式：一是工作功耗，也就是數(shù)據(jù)處理期間晶體管轉(zhuǎn)換與工作時(shí)的功耗；二是靜態(tài)功耗，即不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作或工作受限以及各部件進(jìn)入休眠模式等時(shí)消耗的功耗。

工作狀態(tài)的電源管理可采用多種方案：

動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放(DVFS)：采用DVFS技術(shù)時(shí)，軟件指令可根據(jù)工作環(huán)境所需的性能降低時(shí)鐘速率與電壓。例如，盡管多媒體處理器ARM的運(yùn)行速度可達(dá)600MHz，但并不是所有情況下都需要如此高的速率。軟件可在預(yù)定義的工作性能點(diǎn)上做出選擇，讓處理器以特定速率運(yùn)行。

自適應(yīng)電壓縮放(AVS)：芯片制造工藝會(huì)導(dǎo)致不同部件有著不同的性能分布，可利用這一特點(diǎn)來實(shí)施AVS技術(shù)。也就是說，在既定頻率要求下，有些所謂"熱"器件的產(chǎn)品可以較低電壓實(shí)現(xiàn)較高性能，而"冷"器件則做不到這一點(diǎn)。在此情況下，處理器能感測(cè)其自身的性能級(jí)別，并相應(yīng)調(diào)節(jié)電壓，以對(duì)處理、溫度及芯片衰減等方面的變化進(jìn)行補(bǔ)償。

動(dòng)態(tài)電源轉(zhuǎn)換(DPS)：該技術(shù)可確定器件某個(gè)部分是否已完成其當(dāng)前任務(wù)、目前是否還需要它繼續(xù)工作，以及何時(shí)可讓它進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或處理工作受限時(shí)，選定部件便可進(jìn)入極低的功耗模式，系統(tǒng)等待喚醒事件，這時(shí)靜態(tài)電源管理就會(huì)啟動(dòng)。通過眾所周知的靜態(tài)漏電管理方案來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電源管理，可支持多種不同的低功耗模式，其中包括待機(jī)模式，以及關(guān)斷模式。低功耗靜態(tài)模式的選擇取決于存儲(chǔ)器的維持能力和／或其是否需要快速喚醒。

憑借上述特性，大多數(shù)低功耗處理器規(guī)定的待機(jī)功耗約為15mW，且峰值工作功耗低于
400mw。德州儀器公司推出的TMS320C55x等定點(diǎn)DSP的功耗更低，盡管集成了FFT協(xié)處理器，且存儲(chǔ)器容量達(dá)320kB，同時(shí)還支持I／O外設(shè)，但其待機(jī)功耗僅為0.5mW，峰值工作功耗為75mW。

表1中的大多數(shù)器件均實(shí)現(xiàn)了低功耗特性，在功耗等級(jí)方面評(píng)級(jí)為"優(yōu)"。表中列為"良"的產(chǎn)品性能較高，通常采用多個(gè)內(nèi)核，因此功耗稍高。 

性能

強(qiáng)大的處理能力非常重要，它可以實(shí)現(xiàn)全新的功能，提高單位成本或面積的通道數(shù)量，加快數(shù)據(jù)速率，增加密度，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的壓縮方法，從而實(shí)現(xiàn)特色化的終端產(chǎn)品。

在考慮產(chǎn)品性能時(shí)，除了MHz這一指標(biāo)之外，工程師還應(yīng)考慮并行處理能力。通過不同方式集成DSP、ARM或協(xié)處理器的芯片可大幅提高性能。OMAP平臺(tái)就是一個(gè)很好的范例。工程師可將代碼分組，分別運(yùn)行在最適合的內(nèi)核上。即便器件僅采用一個(gè)內(nèi)核，也能支持并行處理功能。例如，低功耗定點(diǎn)TMS320C640x系列就采用單顆CPU，能夠支持300MHz頻率并行運(yùn)行的八個(gè)指令單元，因此處理性能非常高。 除了集成處理器件之外，集成其它系統(tǒng)部件也有助于大幅提升性能。例如，足夠的片上存儲(chǔ)器容量意味著可在CPU需要頻繁吞吐數(shù)據(jù)的情況下大幅加快代碼運(yùn)行速度。

不管開發(fā)什么類型的系統(tǒng)(多媒體設(shè)備或是功能性有限但需要盡可能降低功耗的設(shè)備)，設(shè)計(jì)人員都能選擇到一款恰好能夠滿足所需處理能力的處理器。

在表1中，性能從"中"到"優(yōu)"的評(píng)級(jí)主要取決于既定器件有多少個(gè)內(nèi)核和片上設(shè)備。不過，設(shè)計(jì)工程師通常必須在性能與功耗之間做出折衷平衡。

集成度

顯然，集成度與性能密切相關(guān)。如前所述，某些芯片技術(shù)使設(shè)計(jì)工程師能在同一芯片上集成DSP、ARM9或協(xié)處理器或集成全部。

不過，從集成的角度來說，目前的器件上還可以集成其它重要的系統(tǒng)部件。集成存儲(chǔ)器就是一個(gè)很好的例子，其不僅有助于降低總體系統(tǒng)價(jià)格、節(jié)約系統(tǒng)功耗，而且還能簡(jiǎn)化開發(fā)。一些低功耗處理器可直接在芯片上集成容量高達(dá)500KB的存儲(chǔ)器，如TI的OMAP-Llx系列。很多時(shí)候，無需使用外接存儲(chǔ)器。

不過，當(dāng)前的存儲(chǔ)器可集成的外設(shè)種類越來越豐富，其中也包括模擬部件。如逐次逼近型(SAR)ADC，它可用于實(shí)現(xiàn)消費(fèi)類電子設(shè)備中常見的觸摸顯示屏接口；以及通用并行端口(uPP)，可用于直接連接至系統(tǒng)上的各種其它部件，如高速ADC或FPGA等。就當(dāng)前的低功耗處理器而言，用戶還能通過以太網(wǎng)MAC、USB 2.0、支持海量存儲(chǔ)的串行ATA(SATA)、用于支持WLAN等I／O功能的SDIO、LCD控制器，以及視頻端口接口等獲得面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上支持。

在表1中，集成度一項(xiàng)評(píng)分為"優(yōu)"的器件均采用多個(gè)內(nèi)核或協(xié)處理器，而且還支持多種外設(shè)；評(píng)分為"良"的器件僅支持單內(nèi)核，但同時(shí)支持多種存儲(chǔ)器與外設(shè)；而評(píng)分為"中"的器件則支持較少的外設(shè)，不過它們的優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，而且成本較低。

上市時(shí)間

隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新速度不斷加快，產(chǎn)品壽命也從幾年縮短至幾個(gè)月，因而產(chǎn)品上市時(shí)間日益重要。一旦一家公司推出最新的產(chǎn)品，幾個(gè)月或是幾周后立即就會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手跟進(jìn)推出具有更新特性、更吸引消費(fèi)者的新產(chǎn)品。

產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度與集成度密切相關(guān)。顯然，如果部件能提供較高的集成度，那么工程師所需的開發(fā)和故障調(diào)試時(shí)間就可以大幅縮短，因?yàn)椴槐卦匍_發(fā)用于協(xié)調(diào)多個(gè)芯片所需的接口和數(shù)據(jù)交換機(jī)制。此外，PCB互連和不同驅(qū)動(dòng)之間的協(xié)作問題也得以減少。

不過，如果芯片上集成的內(nèi)核或外設(shè)太多，工程師就需要適當(dāng)?shù)能浖ぞ咭圆倏剡@些部件。例如，如果集成了ARM和DSP，好的工具包就應(yīng)當(dāng)有助于在統(tǒng)一的編程環(huán)境中開發(fā)需要兩個(gè)內(nèi)核資源的應(yīng)用。此外，工程師還應(yīng)了解處理器廠商能否提供其它工具，如針對(duì)各種內(nèi)核優(yōu)化的第三方算法庫(kù)，支持Matlab的Simulink或NI公司的LabVIEW等第三方工具，以及評(píng)估／開發(fā)電路板乃至各種操作系統(tǒng)和開源選項(xiàng)等。這些因素對(duì)縮短開發(fā)時(shí)間、按計(jì)劃推出產(chǎn)品等都非常重要。

TMS320C674x等浮點(diǎn)器件的編程復(fù)雜性較低。在眾多情況下，開發(fā)人員都能在臺(tái)式PC上用Simulink和LabVIEW等熟悉的工具編寫代碼，并將代碼移植到DSP上，而且只需做極少的修改，甚至根本無需修改。

不過，總體上可以肯定地說，芯片的性能越高，所需的開發(fā)時(shí)間就越長(zhǎng)。如果是需要較高性能的復(fù)雜產(chǎn)品，那么在代碼開發(fā)和故障調(diào)試方面顯然就需要更長(zhǎng)的時(shí)間。 最后，工程師必須始終提前考慮到為其下一代產(chǎn)品做好準(zhǔn)備。在某些市場(chǎng)上，標(biāo)準(zhǔn)變動(dòng)非常快，而企業(yè)又希望快速占據(jù)市場(chǎng)。這時(shí)，設(shè)計(jì)工程師就必須構(gòu)建出能面向未來市場(chǎng)的產(chǎn)品，并可根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)或新增特性的要求及時(shí)實(shí)現(xiàn)升級(jí)。因此，了解不同的處理器系列非常重要，需要檢驗(yàn)其在軟件與引腳兼容方面是否存在問題，如果需要提高計(jì)算能力的話，是否能在盡可能少地改動(dòng)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和代碼的情況下實(shí)現(xiàn)性能的提高。

表1中，在上市時(shí)間項(xiàng)評(píng)分為"優(yōu)"的產(chǎn)品在軟件與硬件方面的支持都非常豐富。評(píng)分為"良"的產(chǎn)品集成度較低，需要更多外設(shè)或存儲(chǔ)器，相關(guān)的設(shè)計(jì)工作也更多。[!--empirenews.page--]

價(jià)格

在評(píng)估價(jià)格這一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，工程師不應(yīng)僅僅著眼于芯片的價(jià)格。芯片本身的價(jià)格正在不斷下降，以至于現(xiàn)在大多數(shù)低功耗處理器的成本都不足15美元。依據(jù)器件的具體特性，價(jià)格可降低至4美元。對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用來說，每個(gè)部件的成本都很關(guān)鍵。但對(duì)于通信基礎(chǔ)設(shè)施或商業(yè)應(yīng)用來說，單個(gè)部件的成本并不太重要，擁有成本與效率才是更應(yīng)關(guān)注的問題。

工程師更應(yīng)關(guān)注整體的系統(tǒng)成本問題。還以存儲(chǔ)器為例，如果產(chǎn)品的所有算法運(yùn)行都采用片上存儲(chǔ)器，那么僅通過減少不必要的外部存儲(chǔ)器芯片就能節(jié)約1～2美元。如果集成了SATA、以太網(wǎng)、存儲(chǔ)器、USB 2.0以及ARM9等，就能顯著節(jié)約系統(tǒng)成本(可高達(dá)9美元)。

除了芯片的價(jià)格之外，工程師還應(yīng)評(píng)估開發(fā)的簡(jiǎn)易性，這包括軟硬件開發(fā)工具、技術(shù)支持、培訓(xùn)、第三方支持、文檔、工程設(shè)計(jì)時(shí)間／開銷以及NRE開發(fā)費(fèi)用等。加速開發(fā)進(jìn)程有助于實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的終端產(chǎn)品，因?yàn)閷氋F的時(shí)間與金錢可用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，而不是花費(fèi)在構(gòu)建設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施上。

因此，工程師不光要考慮開發(fā)電路板與仿真器的價(jià)格，還要考慮其質(zhì)量，以及能多快地提高開發(fā)速度。高質(zhì)量的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)與編譯器使設(shè)計(jì)人員能夠更全面地了解設(shè)計(jì)情況，并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。工程師應(yīng)關(guān)注哪些芯片廠商能提供免專利費(fèi)的操作系統(tǒng)，哪些第三方合作伙伴能提供經(jīng)過驗(yàn)證的、可直接投入使用的代碼，如在基于DSP的設(shè)計(jì)中用到的編解碼器等。此外，還應(yīng)注意可以幫助設(shè)計(jì)人員快速上手設(shè)計(jì)工作的技術(shù)框架。

此外，電路板布局與制造方面的成本也不容忽視。重要的不僅在于器件數(shù)量，還包括器件的工藝間距。小間距器件的系統(tǒng)級(jí)板面布局與制造更加昂貴。

表1顯示出，價(jià)格通常與內(nèi)核數(shù)據(jù)以及片上外設(shè)成反比。集成的部件越多，器件的價(jià)格顯然也就越貴，設(shè)計(jì)工作的強(qiáng)度也越大，這些產(chǎn)品通常適用于最復(fù)雜的便攜式系統(tǒng)。舉例來說，同時(shí)集成了DSP、ARM以及協(xié)處理器的高性能應(yīng)用處理器是唯一被評(píng)為"中"的架構(gòu)。

低功耗應(yīng)用

即便擁有表1的幫助，工程師也很難為既定應(yīng)用選出最適合的器件，總免不了要做出一定的設(shè)計(jì)折衷平衡。不過，通過對(duì)應(yīng)用要求的簡(jiǎn)單探討，或許可以提供一些指導(dǎo)。

要求低功耗特性的應(yīng)用種類越來越多，這些應(yīng)用可被分為以下幾個(gè)大類：

采用插入式電源或USB供電的產(chǎn)品，如車載免提套件、GPSdongle、觸摸屏或喇叭擴(kuò)音器等；

消費(fèi)者希望電池能工作至少一整天的應(yīng)用，如無線麥克風(fēng)、樂器、降噪耳機(jī)、無線打印機(jī)，以及多參數(shù)便攜式醫(yī)療儀器等；

電池可工作長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)星期的應(yīng)用，如錄音機(jī)、電子書、門禁指紋驗(yàn)證，或單參數(shù)便攜式醫(yī)療儀器等。

還有一種應(yīng)用分類方法是根據(jù)功能性進(jìn)行區(qū)分。便攜式設(shè)備會(huì)考慮到高精度問題，比如，樂器或音頻產(chǎn)品會(huì)需要較寬的動(dòng)態(tài)范圍。這種精度與動(dòng)態(tài)范圍通常需要采用TI TMS320C674x DSP這樣的浮點(diǎn)處理器，其功耗可低至15mW。

還有一些依賴于多功能GUI的應(yīng)用。這類應(yīng)用應(yīng)當(dāng)選擇一款支持ARM處理功能的器件。例如OMAP-L1x產(chǎn)品，它集成了ARM和DSP功能，具備強(qiáng)大的處理能力，可以在運(yùn)行GUI的同時(shí)完成復(fù)雜的處理任務(wù)。

消費(fèi)者會(huì)要求某些產(chǎn)品具備超長(zhǎng)的電池使用壽命，如便攜式錄音機(jī)／播放器、電子書閱讀器、便攜式麥克風(fēng)，以及家用腕表式醫(yī)療儀器等。支持低功耗待機(jī)模式的C550x等處理器能高效利用深度休眠模式(功耗低至6.8μW)與待機(jī)模式(功耗低至0.5mW)，因而可實(shí)現(xiàn)數(shù)周的電池使用時(shí)間。

結(jié)語

如本文所述，選擇低功耗處理器時(shí)需考慮的所有標(biāo)準(zhǔn)都是密切相關(guān)的。通常說來，性能越高，功耗就越大，不過現(xiàn)在，產(chǎn)品功耗已經(jīng)普遍降低，因此無論您有何種應(yīng)用需求，幾乎都能找到一款適用的低功耗處理器。