嵌入式系統(tǒng)能耗的動(dòng)態(tài)管理

追溯歷史，嵌入式處理器的低功耗是通過(guò)使用一些低功耗的空閑或睡眠模式來(lái)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(wú)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(kāi)發(fā)出盡可能高效的滿(mǎn)足要求的 IC。然而，現(xiàn)在象開(kāi)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(wú)法滿(mǎn)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(wú)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(hù)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(guò)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(lái)說(shuō)，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）?？梢钥吹睫D(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^(guò)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）。

　　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(mén)控電源管理方法。DVS 方法能顯著降低整體功耗。

　　一般來(lái)說(shuō)，處理器運(yùn)行得都太快了。例如，從 QoS 觀點(diǎn)來(lái)看，如果軟件只需要在一秒鐘內(nèi)顯示完 30 幀視頻圖像，則處理器在半秒內(nèi)就完成所有解碼是沒(méi)有意義的。提前完成任務(wù)的做法使能量利用效率較低。

　　取得性能與節(jié)能平衡的關(guān)鍵在于使用智能軟件，它可以把處理器的性能降低到正好滿(mǎn)足應(yīng)用軟件需求底線(xiàn)的水平。這種軟件應(yīng)該包括“性能設(shè)定”算法，由該算法來(lái)確定處理器運(yùn)行的最佳性能級(jí)別，并且管理象 DVS 這樣的性能調(diào)整技術(shù)。