嵌入式系統(tǒng)能耗的動(dòng)態(tài)管理方案

一直以來，嵌入式處理器的低功耗是通過使用一些低功耗的空閑或睡眠模式來實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在，嵌入式處理器要承擔(dān)更復(fù)雜的工作，需要更高的性能。新的應(yīng)用程序（如音頻和視頻播放以及游戲等）一般運(yùn)行時(shí)間都相當(dāng)長(zhǎng)，“運(yùn)行時(shí)間”與“空閑時(shí)間”之比也上升得很快。傳統(tǒng)的電源管理技術(shù)在空閑時(shí)間中是非常有效的，但要在運(yùn)行中節(jié)省電池能量就無能為力了。

此外，電源管理芯片制造商僅僅把注意力集中在供電的管理方面。情況一般是這樣的，嵌入式處理器供應(yīng)商給出輸入／輸出功率要求，功率半導(dǎo)體供應(yīng)商則爭(zhēng)相開發(fā)出盡可能高效的滿足要求的 IC。然而，現(xiàn)在象開關(guān)穩(wěn)壓器這樣的電源管理 IC 效率已經(jīng)達(dá)到了 95% 的高峰。這迫使今天的電源 IC 供應(yīng)商不僅要在價(jià)格上競(jìng)爭(zhēng)，還要靠效率的每一點(diǎn)細(xì)微增長(zhǎng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前手機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)顯示，這些傳統(tǒng)的方法已無法滿足業(yè)界對(duì)提升效率的需求。

盡管電池技術(shù)一直有穩(wěn)定改進(jìn)，如更長(zhǎng)的壽命及更小的體積，但這種發(fā)展仍然無法趕上下一代設(shè)計(jì)快速增長(zhǎng)的功率需求。要在新產(chǎn)品中將電池壽命延長(zhǎng)到最終用戶可以接受的水平，普通的電源管理方法已經(jīng)不能勝任了。

工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也加劇了電源管理的復(fù)雜性。過去，CMOS 晶體管在靜態(tài)時(shí)消耗功率很少，幾乎可以忽略不計(jì)。然而，隨著速度和密度的增加，工藝尺寸在不斷縮小，靜態(tài)功耗也在增長(zhǎng)。根據(jù)估計(jì)，對(duì)于用 0.13 微米高速工藝實(shí)現(xiàn)的芯片，其靜態(tài)功耗要占總功耗的 15-20%。而且，隨著工藝技術(shù)進(jìn)入 100 納米以下，靜態(tài)功耗將呈現(xiàn)指數(shù)式的增長(zhǎng)，并將在處理器總功耗中占據(jù)主要部分。

有一種方法可以協(xié)調(diào)高性能與低功耗之間的矛盾，這就是讓處理器根據(jù)當(dāng)前的工作負(fù)載，運(yùn)行在不同的性能等級(jí)上。舉例來說，一個(gè) MPEG 視頻播放器需要的處理性能比 MP3 音頻播放器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，當(dāng)播放 MP3 時(shí)，處理器可以運(yùn)行在較低頻率上，而仍然能保證播放的高質(zhì)量。當(dāng)時(shí)鐘頻率降低時(shí)，可以同時(shí)降低處理器的供電電壓，以達(dá)到節(jié)能的目的。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù) (DVS) 就利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即 CMOS 工藝處理器的峰值頻率與供電電壓成正比。圖 1 顯示了頻率與電壓的關(guān)系，其中的測(cè)試使用了一個(gè) ARM926EJ-S 處理器內(nèi)核（0.18 微米工藝）。可以看到轉(zhuǎn)折點(diǎn)在大約 90 MHz，這是調(diào)整技術(shù)適用電壓范圍的一個(gè)限額。

以下是一個(gè) CMOS 電路的近似功率方程：

P = CVDD 2fc + VDDIQ其中：

· P 為供電電壓 VDD 消耗的功率。

· C(VDD)2fc 是源于切換的動(dòng)態(tài)功耗部分（C 是電容，fc 為頻率）。

· VDDIQ 是源于泄漏的靜態(tài)功耗部分（IQ 為泄漏電流）顯然，對(duì)一個(gè)給定負(fù)載，動(dòng)態(tài)功率的量值與供電電壓的平方成正比。

減少供電電壓并同時(shí)降低處理器的時(shí)鐘速度，功耗將會(huì)呈二次方的速度下降，代價(jià)是增加了運(yùn)行時(shí)間。由于每次電池充電后其中儲(chǔ)存的能量是有限的，所以能量管理技術(shù)是唯一一種可以擴(kuò)展電池使用壽命的方法。圖 2 顯示的是當(dāng)頻率與電壓都從最高值下調(diào)時(shí)，等效的節(jié)能情況。因?yàn)殡妷旱南陆挡豢赡艹^某一個(gè)最低限，所以即使把頻率降低到曲度以下也不能產(chǎn)生更多的節(jié)能效果。因此，能量管理技術(shù)也存在一個(gè)適用頻率范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)的電壓升降才是有效的（本例中約為 90-170 MHz）。

圖2 計(jì)算出ARM926EJ-S處理器節(jié)能與頻率關(guān)系圖

電壓控制和頻率控制的要求圖 3 比較了兩種電源管理方法的效果，一種使用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整法（DVS），另一種是普通的門控電源管理方法。DVS 方法能顯著降低整體功耗。