基于嵌入式DSP應(yīng)用的低功耗優(yōu)化策略

　無(wú)線系統(tǒng)及有線系統(tǒng)設(shè)計(jì)師均必須重視電源效率問(wèn)題，盡管雙方的出發(fā)點(diǎn)不盡相同：對(duì)于移動(dòng)設(shè)備而言，更長(zhǎng)的電池使用壽命、更長(zhǎng)的通話時(shí)間或更長(zhǎng)的工作時(shí)間都是明顯的優(yōu)勢(shì)，降低電源要求意味著使用體積更小的電池或選擇不同的電池技術(shù)，這在一定程度上也緩解了電池發(fā)熱問(wèn)題；對(duì)于有線系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)師可通過(guò)減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風(fēng)扇噪聲來(lái)提高電池效率。人們很少會(huì)提到這樣一個(gè)事實(shí)：提高電源效率還可節(jié)省空間，而節(jié)省的空間可以用來(lái)增加能夠提高系統(tǒng)性能的組件，尤其是設(shè)計(jì)小組希望添加一個(gè)以上處理器時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。
設(shè)計(jì)嵌入式DSP處理器或系統(tǒng)功耗要求嚴(yán)格的系統(tǒng)時(shí)，采用DSP專用技術(shù)、操作系統(tǒng)及其支持軟件可以降低功耗。超越傳統(tǒng)技術(shù)的DSP或雙處理器設(shè)計(jì)在節(jié)約能量方面表現(xiàn)出色。

　　功耗基礎(chǔ)知識(shí)

　　互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路的總功耗是動(dòng)態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和：

　　當(dāng)門(mén)發(fā)生邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)點(diǎn)充電所需的開(kāi)關(guān)電流以及P通道及N通道同時(shí)暫態(tài)開(kāi)啟引起直通電流時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)功耗。通過(guò)以下公式可以估算其近似值：

　　其中，Cpd為動(dòng)態(tài)電容，F(xiàn)為開(kāi)關(guān)頻率，Vcc為電源電壓，而Nsw為轉(zhuǎn)換的比特?cái)?shù)。另外，電壓(Vcc)決定著穩(wěn)定工作狀態(tài)下的最大開(kāi)關(guān)頻率(F)。上述關(guān)系中包含兩個(gè)重要概念：動(dòng)態(tài)功耗與開(kāi)關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與電源電壓呈二次關(guān)系；最大安全開(kāi)關(guān)頻率取決于電源電壓。為便于本文討論，將特定的頻率及電壓對(duì)稱為“設(shè)定點(diǎn)”。

　　很顯然，降低CPU時(shí)鐘速率將相應(yīng)成比例地降低動(dòng)態(tài)功耗，由于動(dòng)態(tài)功耗與電源電壓成二次關(guān)系，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，通過(guò)降低電壓就可能大大降低功耗。不過(guò)，對(duì)于特定任務(wù)集，降低CPU時(shí)鐘速率也會(huì)成比例地延長(zhǎng)執(zhí)行該任務(wù)集的時(shí)間，因此必須仔細(xì)分析應(yīng)用以確保滿足其實(shí)時(shí)需求。

　　靜態(tài)功耗主要是由于晶體管漏電流造成的。一般說(shuō)來(lái)，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比可以忽略不計(jì)。嵌入式應(yīng)用在不工作期間通常會(huì)“閑置”CPU時(shí)鐘以減少動(dòng)態(tài)功耗，從而顯著降低總體功耗。而在未來(lái)的設(shè)計(jì)中必須特別關(guān)注靜態(tài)功耗問(wèn)題，因?yàn)楦咝阅艿男滦途w管的漏電流將顯著提高。

　　嵌入式系統(tǒng)常用技術(shù)

　　常用電源管理技術(shù)可以分為兩類：通過(guò)早期硬件設(shè)計(jì)決策時(shí)實(shí)現(xiàn)，或在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)早期的決策對(duì)滿足性能及功耗至關(guān)重要，下面列出了設(shè)計(jì)中需要考慮的十大要素，其中包括硬件選擇、設(shè)計(jì)策略及架構(gòu)選擇。大多數(shù)要素都是嵌入式系統(tǒng)的基本要求，其他要素則需要單獨(dú)考慮。盡管下列決策是在設(shè)計(jì)早期制定的，但有些仍需在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行再驗(yàn)證。如下所列：

　　1. 選擇低功耗組件；

　　2. 分割電壓與時(shí)鐘域；

　　3. 支持電壓及頻率調(diào)節(jié)功能；

　　4. 啟用保持電壓門(mén)控功能；

　　5. 通過(guò)軟件利用中斷減少輪詢；

　　6. 采用分級(jí)存儲(chǔ)器模型；

　　7. 降低輸出負(fù)載；

　　8. 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)關(guān)閉非關(guān)鍵資源供電；

　　9. 盡量減少活動(dòng)PLL數(shù)量；

　　10. 使用時(shí)鐘分頻器快速變換頻率。

　　確定系統(tǒng)架構(gòu)以后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)需要將注意力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)環(huán)境。以下列出的14項(xiàng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要始終關(guān)注其中大部分內(nèi)容：

　　1. 不需要時(shí)則關(guān)閉門(mén)控時(shí)鐘；

　　2. 引導(dǎo)過(guò)程中主動(dòng)關(guān)閉不必要的功耗；

　　3. 僅在需要時(shí)用向子系統(tǒng)供電；

　　4. 激活外設(shè)低功耗模式；

　　5. 充分利用外設(shè)活動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)器；

　　6. 使用自動(dòng)刷新模式；

　　7. 對(duì)應(yīng)用進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試來(lái)確定必需的最小頻率及電壓；

　　8. 根據(jù)總體活動(dòng)情況調(diào)整CPU頻率及電壓；

　　9. 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)CPU頻率及電壓以匹配預(yù)計(jì)的工作負(fù)載；

　　10. 優(yōu)化代碼的執(zhí)行速度；

　　11. 使用低功耗代碼序列及數(shù)據(jù)模式；

　　12. 使用代碼覆蓋技術(shù)減少對(duì)高速內(nèi)存的需求；

　　13. 更換電源時(shí)進(jìn)入簡(jiǎn)化功能模式；

　　14. 平衡精確度與功耗的關(guān)系。

　　有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須至少在概念上熟悉上述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)(其中部分與DSP電路有關(guān))。任何降低功耗的設(shè)計(jì)都有可能對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響或?qū)е孪到y(tǒng)不穩(wěn)定。[!--empirenews.page--]

　　DSP RTOS如何滿足低功耗設(shè)計(jì)要求

　　一部分最重要的并得到普遍認(rèn)可的技術(shù)方法可以融合到RTOS中，相關(guān)的技術(shù)包括：閑置、關(guān)閉活動(dòng)電源、器件驅(qū)動(dòng)程序通知、內(nèi)存管理、電壓/頻率調(diào)節(jié)。然而，由于設(shè)計(jì)目標(biāo)不盡相同，將這些技術(shù)構(gòu)建到RTOS中并不容易。設(shè)計(jì)師需要在這些方法中做出選擇，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵目標(biāo)就是高效性、靈活性以及與操作系統(tǒng)本身的松散關(guān)系。

　　TI的DSP/BIOS操作系統(tǒng)的電源管理器(PWRM)非常適于用作現(xiàn)有RTOS的電源管理模塊。盡管以下描述的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是針對(duì)DSP/BIOS，但其概念可很容易地運(yùn)用到其他操作系統(tǒng)，甚至用于無(wú)操作系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

　　電源管理器的要求

　　電源管理器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求如下：

　　1. 管理決策必須由應(yīng)用觸發(fā)，而不是操作系統(tǒng)觸發(fā)；

　　2. 電源管理活動(dòng)應(yīng)當(dāng)針對(duì)大部分應(yīng)用代碼透明；

　　3. 電源管理器必須支持電壓與頻率(V/F)調(diào)節(jié)，并充分利用芯片的空閑與睡眠模式；

　　4. 電源管理器必須在應(yīng)用代碼、驅(qū)動(dòng)程序以及操作系統(tǒng)本身范圍內(nèi)協(xié)調(diào)電源事件處理，并在發(fā)生特定事件時(shí)向客戶端發(fā)出通知；

　　5. 電源管理特性必須在任何線程環(huán)境中可用，并且還必須對(duì)特定客戶端的多個(gè)實(shí)例可用(如一個(gè)器件驅(qū)動(dòng)程序的多個(gè)實(shí)例)；

　　6. 在向客戶端發(fā)出電源事件通知時(shí)，電源管理器必須支持事件處理的延遲完成，并在等待延遲客戶端的完成信號(hào)的同時(shí)通知其他客戶端；

　　7. 對(duì)具有不同功能的不同平臺(tái)，電源管理器必須是可擴(kuò)展的和可移植的。

　　為滿足上述的關(guān)鍵要求，可將電源管理器作為DSP/BIOS的附屬模塊添加，如圖1所示。電源管理器位于內(nèi)核之外，它不是系統(tǒng)中的一項(xiàng)任務(wù)，而是一組可在應(yīng)用控制線程以及器件驅(qū)動(dòng)程序環(huán)境中執(zhí)行的API。

　　圖1. 電源管理器分區(qū)

　　這意味著無(wú)需修改內(nèi)核，但在CPU時(shí)鐘與操作系統(tǒng)定時(shí)器時(shí)鐘相結(jié)合的平臺(tái)上，DSP/BIOS時(shí)鐘模塊(CLK)需要補(bǔ)充例程(routine)，這對(duì)頻率縮放非常重要，因?yàn)檫@些例程能夠使OS時(shí)鐘適應(yīng)PWRM的客戶端。

　　電源管理器通過(guò)寫(xiě)入并讀取時(shí)鐘空閑配置寄存器，并通過(guò)控制CPU時(shí)鐘速率及穩(wěn)壓電路的特定平臺(tái)功率擴(kuò)展庫(kù)(PSL)，直接與DSP硬件相連接。PSL將電源管理器及應(yīng)用的其他部分與頻率和電壓控制硬件的低層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)相隔離。

　　電源管理器擁有若干個(gè)與應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)。由設(shè)計(jì)工程師對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)配置，并在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)用：

　　1．空閑時(shí)鐘域—電源管理器提供的接口可使特定時(shí)鐘域處于空閑狀態(tài)，從而降低功耗。此外，它還可以在OS空閑循環(huán)的適當(dāng)點(diǎn)提供能自動(dòng)使DSP CPU和高速緩存處于空閑狀態(tài)的機(jī)制。

　　2．降低引導(dǎo)時(shí)間的功耗—電源管理器包含一個(gè)鉤子機(jī)制(hook mechanism)，這使開(kāi)發(fā)人員能夠設(shè)定省函數(shù)，以便在引導(dǎo)時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)用。

　　3．電壓及頻率(V/F)調(diào)節(jié)—電源管理器提供的接口可使應(yīng)用程序動(dòng)態(tài)更改DSP內(nèi)核的工作電壓及頻率。因此，應(yīng)用程序可利用該特性根據(jù)相關(guān)的處理要求相應(yīng)調(diào)整功耗。電源管理器API可設(shè)定應(yīng)用中的電壓是否應(yīng)隨同頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及在降壓轉(zhuǎn)換過(guò)程中是否可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，轉(zhuǎn)換時(shí)延由負(fù)載而定，有可能會(huì)較長(zhǎng)；如果處理器在降壓轉(zhuǎn)換期間工作正常，則允許繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用；此外，電源管理器還包含用于查詢V/F設(shè)定點(diǎn)屬性及時(shí)延的API。

　　4．睡眠模式—電源管理器包含的配置及運(yùn)行時(shí)接口使開(kāi)發(fā)人員可產(chǎn)生自定義睡眠模式，以便在非工作狀態(tài)期間節(jié)省電能。

　　5．電源事件的注冊(cè)及通知—為了調(diào)整整個(gè)應(yīng)用中的V/F調(diào)節(jié)比例、睡眠模式以及其他事件，電源管理?yè)碛幸惶子涗浖巴ㄖ獧C(jī)制，以使諸如應(yīng)用代碼、外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序、打包的內(nèi)容以及OS時(shí)鐘模塊能針對(duì)會(huì)影響到他們的特定事件進(jìn)行記錄，以便通知。這些電源事件如“即將更改 V/F 設(shè)定點(diǎn)”、“完成更改V/F 設(shè)定點(diǎn)”、“進(jìn)入睡眠模式”、“從睡眠模式中喚醒”以及出現(xiàn)“電源故障”等。通知進(jìn)程(notification process)是電源管理器的重要特性。當(dāng)無(wú)需通知時(shí)可使用“未登記”功能。

　　策略實(shí)施

　　上面已經(jīng)建立了提高電源效率的基礎(chǔ)，下一步工作就應(yīng)該確定開(kāi)發(fā)高效率應(yīng)用的策略，并充分利用OS中的部分方法及支持。

　　所建議的策略包括以下11個(gè)步驟。該策略具有可重復(fù)性：當(dāng)無(wú)法滿足電源管理目標(biāo)，或者需要采用額外的運(yùn)行時(shí)方法才能滿足應(yīng)用的電源預(yù)算時(shí)，就可重復(fù)這些步驟。

　　1. 從最初就考慮到電源效率；

　　2. 選擇低功耗組件；

　　3. 對(duì)電源進(jìn)行建模和估測(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件測(cè)試；

　　4. 針對(duì)電源管理和測(cè)量設(shè)計(jì)具備鉤子機(jī)制的硬件；

　　5. 構(gòu)建可大幅提高工作效率的軟件；

　　6. 啟用簡(jiǎn)單的電源管理開(kāi)／關(guān)機(jī)切換；

　　7. 在無(wú)電源管理的情況下也可先進(jìn)入工作；

　　8. 重復(fù)開(kāi)啟“開(kāi)機(jī)”特性，并測(cè)量功耗開(kāi)銷(payoff)；

　　9. 開(kāi)啟代碼生成優(yōu)化功能、重置代碼及數(shù)據(jù)，并調(diào)整“熱點(diǎn)”監(jiān)測(cè)；

　　10. 進(jìn)行校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)頻率及電壓的最低；

　　11. 激活并應(yīng)用所有的電源管理特性。

　　選用現(xiàn)成的DSP*估板5509A EVM PLUS板作為測(cè)試平臺(tái)，該*估板不僅支持V/F調(diào)節(jié)，還包含針對(duì)DSP內(nèi)核與總體系統(tǒng)電源測(cè)量的鉤子機(jī)制。

　　需要注意的是，EVM作為易于使用的*估平臺(tái)，并未在出廠時(shí)提供最佳功耗配置。另外，在*估效果時(shí)應(yīng)謹(jǐn)記由于其易于配置，所以EVM上測(cè)量的總體系統(tǒng)電源數(shù)量就應(yīng)多于通常情況下部署的平臺(tái)。EVM還能以DSP內(nèi)核級(jí)與系統(tǒng)級(jí)兩種方法測(cè)量各種技術(shù)的有效性。

　　步驟1無(wú)需解釋。步驟2及4基本上都由這種特殊EVM完成，這充分表明了該平臺(tái)的廣泛適用性。步驟3(試驗(yàn))在EVM上進(jìn)行，目的是測(cè)量各種技術(shù)的效果(如片上與片外存取的內(nèi)核及系統(tǒng)電源、DMA與CPU傳輸?shù)谋容^、空閑外設(shè)及時(shí)鐘域的作用等等)。[!--empirenews.page--]

　　架構(gòu)

　　應(yīng)用范例如圖2所示。音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣通過(guò)多聲道緩沖串行端口(McBSP)回放到DSP。DSP DMA引擎向McBSP輸入或讀出采樣信號(hào)。立體聲音頻數(shù)據(jù)通過(guò)RxSplit任務(wù)分離為兩個(gè)數(shù)據(jù)流，并在Processing Task中進(jìn)行處理。DIP開(kāi)關(guān)用于選擇G726編碼／解碼處理或簡(jiǎn)單音量控制。兩個(gè)聲道隨后在TxJoin任務(wù)中組合，然后輸出至揚(yáng)聲器。

　　圖2：音頻應(yīng)用范例。

　　Control(控制)任務(wù)被周期性觸發(fā)，以檢查DIP開(kāi)關(guān)以確定是否需要進(jìn)行模式切換，如改變處理模式或進(jìn)入睡眠狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用模式的不同，Control任務(wù)可能會(huì)檢查CPU負(fù)載，如果合適還會(huì)更改V/F設(shè)定點(diǎn)。

　　與電源相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)決定包括：

　　1. 使用OS線程及阻塞原語(yǔ)(blocking primitive)使時(shí)鐘空閑；

　　2. 使用DMA提高后臺(tái)數(shù)據(jù)(background data)傳輸效率。只有在DMA塊中完成傳輸后即中斷CPU,而不是在每次從串行端口導(dǎo)入或讀出數(shù)據(jù)采樣時(shí)；

　　3. 使用共享的外部時(shí)鐘控制串行端口(無(wú)需對(duì)串行端口進(jìn)行重新編程，即可進(jìn)行DSP CPU的頻率調(diào)節(jié))；

　　4. 記錄一次回叫，以便為編解碼器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)定鉤子機(jī)制，這樣當(dāng)應(yīng)用進(jìn)入深度睡眠模式時(shí)關(guān)斷編解碼器；

　　5. 在音頻質(zhì)量下降前使用校準(zhǔn)功能恢復(fù)設(shè)定點(diǎn)頻率(及電壓)；

　　6. 使用電源管理器的時(shí)鐘適應(yīng)功能，使周期函數(shù)以特定速率工作跟隨頻率的調(diào)節(jié)；

　　7. 在DSP再引導(dǎo)之間使用電源管理器“深度睡眠”接口。

　　本文結(jié)論

　　上面的低功耗設(shè)計(jì)策略的總體效果總結(jié)如表1所示，其中：

　　模式#1為基準(zhǔn)測(cè)量，全部使用片外代碼；

　　模式#2消除所有片上代碼，DSP級(jí)節(jié)電效果較小，但板級(jí)節(jié)電達(dá)到19%；

　　模式#3包括一些引導(dǎo)時(shí)間節(jié)電配置(如關(guān)閉DSP的CLKOUT信號(hào)、未用計(jì)時(shí)器的自動(dòng)空閑配置以及關(guān)閉板上LED)，以及在BIOS空閑環(huán)路中的閑置，從而可實(shí)現(xiàn)25%的DSP內(nèi)核節(jié)電；

　　模式#4為設(shè)定點(diǎn)在1.4V的條件下降至144MHz時(shí)的功耗，在該模式下可進(jìn)行音頻處理，同時(shí)仍能滿足實(shí)時(shí)最低要求，從而實(shí)現(xiàn)52%的DSP內(nèi)核節(jié)電；

　　模式#5為應(yīng)用處于待機(jī)模式下的功耗，該模式配置包括外部編解碼器關(guān)斷、設(shè)定點(diǎn)支持以最小電壓最大頻率快速啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)、DSP處于門(mén)控時(shí)鐘深度睡眠模式，該模式下的待機(jī)功耗僅為361?W。

　　設(shè)計(jì)人員可根據(jù)特定應(yīng)用的要求選擇適用的技術(shù)。利用OS的這些支持功能，設(shè)計(jì)人員能夠以低開(kāi)銷方便而可靠地提高應(yīng)用的電源效率。本文討論的電源優(yōu)化策略是一種從嵌入式項(xiàng)目之初即可用于降低與調(diào)節(jié)應(yīng)用功耗的通用模型。當(dāng)測(cè)量功耗無(wú)法滿足要求或需要采用額外的運(yùn)行時(shí)技術(shù)時(shí)，上述策略可重復(fù)使用，先期步驟也可重復(fù)進(jìn)行