Portable Products為低功耗設(shè)計選擇理想的處理器

過去，選用低功耗CPU通常意味著需要犧牲功能、降低時鐘運行速度，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)計和高精度電源管理軟件的不斷進步，為設(shè)計人員帶來了全新的低功耗處理器系列產(chǎn)品，使設(shè)計人員再也不用犧牲系統(tǒng)設(shè)計性能。當然，沒有哪種產(chǎn)品是十全十美的，因此工程師必須認真考慮系統(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。

本文對采用不同處理器架構(gòu)的器件在功耗、性能、集成度、上市時間及價格等設(shè)計標準上的表現(xiàn)進行了比較。了解處理器信息可實現(xiàn)兩大目標：一是幫助系統(tǒng)設(shè)計人員了解市場上最新的處理器類型，其中有些可能對他們而言是相對不太熟悉的新產(chǎn)品；二是在可選產(chǎn)品日趨豐富的情況下，可進一步幫他們縮小為既定設(shè)計選擇最佳芯片的范圍。 檢驗標準

表1即對采用不同低功耗處理架構(gòu)的器件進行了五方面的比較，包括：功耗、性能、集成度、上市時間及價格。這五個設(shè)計標準之間都是彼此密切相關(guān)的。例如，在芯片上集成多個內(nèi)核、模擬特性、大容量存儲器或眾多外設(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)品上市時間。但是，這樣的高集成度在某種程度上又會增加功耗，并使編程更復(fù)雜，從而延長產(chǎn)品上市時間。

功耗

對目前眾多設(shè)計而言，功耗是最重要的標準。在便攜式產(chǎn)品中，更長的電池使用時間總是更容易獲得消費者青睞。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，但散熱組件可能會限制通道密度及其它特性。此外，有些設(shè)計對功耗有嚴格限制，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行功率。

設(shè)計師應(yīng)該從系統(tǒng)的角度更好地認識功耗。片上外設(shè)的正確組合有助于進一步降低總體系統(tǒng)功耗，這不僅是因為片外器件會消耗更多的功率，還因為在PCB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。

就單獨的器件而言，其能源效率取決于工藝技術(shù)的固有優(yōu)勢，不過高級處理器除了先進工藝之外，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)換與工作時的功耗；二是靜態(tài)功耗，即不進行數(shù)據(jù)處理工作或工作受限以及各部件進入休眠模式等時消耗的功耗。

工作狀態(tài)的電源管理可采用多種方案：

動態(tài)電壓與頻率縮放(DVFS)：采用DVFS技術(shù)時，軟件指令可根據(jù)工作環(huán)境所需的性能降低時鐘速率與電壓。例如，盡管多媒體處理器ARM的運行速度可達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)定義的工作性能點上做出選擇，讓處理器以特定速率運行。

自適應(yīng)電壓縮放(AVS)：芯片制造工藝會導(dǎo)致不同部件有著不同的性能分布，可利用這一特點來實施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)品可以較低電壓實現(xiàn)較高性能，而"冷"器件則做不到這一點。在此情況下，處理器能感測其自身的性能級別，并相應(yīng)調(diào)節(jié)電壓，以對處理、溫度及芯片衰減等方面的變化進行補償。

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

如果不進行數(shù)據(jù)處理或處理工作受限時，選定部件便可進入極低的功耗模式，系統(tǒng)等待喚醒事件，這時靜態(tài)電源管理就會啟動。通過眾所周知的靜態(tài)漏電管理方案來實現(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DSP的功耗更低，盡管集成了FFT協(xié)處理器，且存儲器容量達320kB，同時還支持I／O外設(shè)，但其待機功耗僅為0.5mW，峰值工作功耗為75mW。

表1中的大多數(shù)器件均實現(xiàn)了低功耗特性，在功耗等級方面評級為"優(yōu)"。表中列為"良"的產(chǎn)品性能較高，通常采用多個內(nèi)核，因此功耗稍高。 

性能

強大的處理能力非常重要，它可以實現(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，實現(xiàn)更高質(zhì)量的壓縮方法，從而實現(xiàn)特色化的終端產(chǎn)品。

在考慮產(chǎn)品性能時，除了MHz這一指標之外，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平臺就是一個很好的范例。工程師可將代碼分組，分別運行在最適合的內(nèi)核上。即便器件僅采用一個內(nèi)核，也能支持并行處理功能。例如，低功耗定點TMS320C640x系列就采用單顆CPU，能夠支持300MHz頻率并行運行的八個指令單元，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)"的評級主要取決于既定器件有多少個內(nèi)核和片上設(shè)備。不過，設(shè)計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。集成存儲器就是一個很好的例子，其不僅有助于降低總體系統(tǒng)價格、節(jié)約系統(tǒng)功耗，而且還能簡化開發(fā)。一些低功耗處理器可直接在芯片上集成容量高達500KB的存儲器，如TI的OMAP-Llx系列。很多時候，無需使用外接存儲器。

不過，當前的存儲器可集成的外設(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，它可用于實現(xiàn)消費類電子設(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，集成度一項評分為"優(yōu)"的器件均采用多個內(nèi)核或協(xié)處理器，而且還支持多種外設(shè)；評分為"良"的器件僅支持單內(nèi)核，但同時支持多種存儲器與外設(shè)；而評分為"中"的器件則支持較少的外設(shè)，不過它們的優(yōu)點在于功耗低，而且成本較低。

上市時間

隨著消費類電子產(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月，因而產(chǎn)品上市時間日益重要。一旦一家公司推出最新的產(chǎn)品，幾個月或是幾周后立即就會有競爭對手跟進推出具有更新特性、更吸引消費者的新產(chǎn)品。

產(chǎn)品投放市場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)試時間就可以大幅縮短，因為不必再開發(fā)用于協(xié)調(diào)多個芯片所需的接口和數(shù)據(jù)交換機制。此外，PCB互連和不同驅(qū)動之間的協(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?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)當有助于在統(tǒng)一的編程環(huán)境中開發(fā)需要兩個內(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，如針對各種內(nèi)核優(yōu)化的第三方算法庫，支持Matlab的Simulink或NI公司的LabVIEW等第三方工具，以及評估／開發(fā)電路板乃至各種操作系統(tǒng)和開源選項等。這些因素對縮短開發(fā)時間、按計劃推出產(chǎn)品等都非常重要。

TMS320C674x等浮點器件的編程復(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)時間就越長。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的時間。 最后，工程師必須始終提前考慮到為其下一代產(chǎn)品做好準備。在某些市場上，標準變動非常快，而企業(yè)又希望快速占據(jù)市場。這時，設(shè)計工程師就必須構(gòu)建出能面向未來市場的產(chǎn)品，并可根據(jù)新標準或新增特性的要求及時實現(xiàn)升級。因此，了解不同的處理器系列非常重要，需要檢驗其在軟件與引腳兼容方面是否存在問題，如果需要提高計算能力的話，是否能在盡可能少地改動整體系統(tǒng)設(shè)計和代碼的情況下實現(xiàn)性能的提高。

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

價格

在評估價格這一標準時，工程師不應(yīng)僅僅著眼于芯片的價格。芯片本身的價格正在不斷下降，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，價格可降低至4美元。對消費類應(yīng)用來說，每個部件的成本都很關(guān)鍵。但對于通信基礎(chǔ)設(shè)施或商業(yè)應(yīng)用來說，單個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。還以存儲器為例，如果產(chǎn)品的所有算法運行都采用片上存儲器，那么僅通過減少不必要的外部存儲器芯片就能節(jié)約1～2美元。如果集成了SATA、以太網(wǎng)、存儲器、USB 2.0以及ARM9等，就能顯著節(jié)約系統(tǒng)成本(可高達9美元)。

除了芯片的價格之外，工程師還應(yīng)評估開發(fā)的簡易性，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)計時間／開銷以及NRE開發(fā)費用等。加速開發(fā)進程有助于實現(xiàn)更高質(zhì)量的終端產(chǎn)品，因為寶貴的時間與金錢可用于實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，而不是花費在構(gòu)建設(shè)計基礎(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)計人員能夠更全面地了解設(shè)計情況，并加速產(chǎn)品上市進程。工程師應(yīng)關(guān)注哪些芯片廠商能提供免專利費的操作系統(tǒng)，哪些第三方合作伙伴能提供經(jīng)過驗證的、可直接投入使用的代碼，如在基于DSP的設(shè)計中用到的編解碼器等。此外，還應(yīng)注意可以幫助設(shè)計人員快速上手設(shè)計工作的技術(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)級板面布局與制造更加昂貴。

表1顯示出，價格通常與內(nèi)核數(shù)據(jù)以及片上外設(shè)成反比。集成的部件越多，器件的價格顯然也就越貴，設(shè)計工作的強度也越大，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)計折衷平衡。不過，通過對應(yīng)用要求的簡單探討，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、觸摸屏或喇叭擴音器等；

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

電池可工作長達兩個星期的應(yīng)用，如錄音機、電子書、門禁指紋驗證，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)功能性進行區(qū)分。便攜式設(shè)備會考慮到高精度問題，比如，樂器或音頻產(chǎn)品會需要較寬的動態(tài)范圍。這種精度與動態(tài)范圍通常需要采用TI TMS320C674x DSP這樣的浮點處理器，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，具備強大的處理能力，可以在運行GUI的同時完成復(fù)雜的處理任務(wù)。

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

結(jié)語

如本文所述，選擇低功耗處理器時需考慮的所有標準都是密切相關(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。