多方位管理多媒體處理器的電源
多媒體處理器通常是便攜式電子設(shè)備中功耗最高的器件。降低 CPU 功耗要求的常見方法是降低時鐘頻率或工作電壓,但是一般而言這樣做會使系統(tǒng)性能降低。另一方面,芯片設(shè)計人員還提出了各種片上方法來降低功耗,并且不會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。本文介紹了這些方法的概念,以及我們?nèi)绾芜\用它們實現(xiàn)節(jié)能的目的,同時還討論了幫助處理器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源 IC。
1 有源電源管理
片上電源管理技術(shù)主要適用于兩類應(yīng)用:管理有源系統(tǒng)功耗和管理待機功耗。
有源電源管理分為三個部分:動態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS);自適應(yīng)電壓縮放 (AVS);以及動態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS)。另一方面,靜態(tài)功耗管理包括在需要進行更多處理以前將空閑系統(tǒng)維持在一種低功耗狀態(tài)。這種電源管理使用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM),其通常利用從待機到關(guān)機的數(shù)種低功耗模式。
讓我們來看一下有源模式。利用 DVFS,根據(jù)應(yīng)用所要求的不同性能,時鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如,一款包括了先進 RISC 機器 (ARM) 和數(shù)字信號處理器 (DSP) 的應(yīng)用處理器,即使 ARM 組件可以運行在高達 600 MHz 的時鐘頻率下,但卻并非總是需要所有這些計算能力。一般而言,軟件會選擇數(shù)個預(yù)定義處理器工作性能點 (OPP),其包括確保處理器能夠運行在滿足系統(tǒng)處理要求的最低頻率下的電壓。在對滿足不同應(yīng)用要求的功耗進行優(yōu)化的過程中,為了獲得更大的靈活性,人們?yōu)樘幚砥髦械幕ミB和外設(shè)預(yù)定義了一個單獨的器件內(nèi)核 OPP 集。
與給定的 OPP 相對應(yīng),軟件向外部穩(wěn)壓器發(fā)出控制信號來設(shè)置最低電壓。例如,DVFS 適用于兩個電壓源 VDD1(為 DSP 和 ARM 處理器供電)和 VDD2(為子系統(tǒng)和外設(shè)之間的互連供電),同時這些電源軌提供芯片所需的大部分電量(一般約為全部所需電量的 75% 到 80%)。通過將 DSP 處理器轉(zhuǎn)入一個 ARM 可以高達 125MHz 時鐘頻率運行的低工作性能點完成對 MP3 解碼的同時,還可以有許多剩余電力用于完成其他任務(wù)。為了獲得具有理想功耗的這種功能性,我們可以把 VDD1 降至 0.95V,而非保證 600 MHz 運行的 1.35V 最高電壓。
第二種有源電源管理技術(shù)即自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 基于芯片制造和器件工作壽命期間出現(xiàn)的各種變化。這種技術(shù)是相對于 DVFS 的,DVFS 中所有處理器均具有相同的預(yù)編程 OPP。正如人們認(rèn)為的那樣,在大多數(shù)現(xiàn)有制造工藝中規(guī)定頻率要求的芯片性能符合一種充分定義的電源分配。相比許多“冷”器件,一些器件(即“熱”器件)可以在較低的電壓下達到規(guī)定頻率。此時,AVS 便可以發(fā)揮作用了—處理器檢測其自有性能水平,并相應(yīng)地調(diào)節(jié)各電壓源。專用片上 AVS 硬件可實施一個反饋環(huán)路,其并不要求處理器介入,從而動態(tài)地優(yōu)化電壓電平來應(yīng)對處理結(jié)果、溫度和硅芯片性能降低中的變化。
2 無源電源管理
DPS 只能將多媒體片上系統(tǒng) (SoC) 的某一部分切換至低功耗狀態(tài),而在許多情況下將整個器件都切換至低功耗狀態(tài)是頗具現(xiàn)實意義的(無論是無應(yīng)用程序運行時自動切換,還是根據(jù)用戶要求切換)。為了達到這一目標(biāo),我們可以運用了靜態(tài)漏電管理 (SLM),其被用于啟動待機或關(guān)機模式。一個關(guān)鍵的區(qū)別在于,在待機模式下該器件可維持內(nèi)部存儲器和邏輯電路的狀態(tài),而在關(guān)機模式下所有系統(tǒng)狀態(tài)均被存入外部存儲器中。利用 SLM 后,喚醒時間比冷啟動要短得多,因為程序已經(jīng)被加載到外部存儲器,并且用戶不必等待整個操作系統(tǒng) (OS) 重新啟動。媒體播放器可能會是運用 SLM 的一個例子:在沒有處理任務(wù)也沒有用戶輸入的狀態(tài)下持續(xù) 10 秒鐘后,媒體播放器便關(guān)閉顯示器,并進入待機或關(guān)機模式。
3 通用技術(shù)
將前面所述電源管理技術(shù)結(jié)合起來使用,我們便能以一種最佳的方法來處理各種運行情況。當(dāng)便攜式多媒體播放器的系統(tǒng)活動級別較高時,例如:觀看高分辨率視頻等,則可以在 VDD1 上設(shè)置過度驅(qū)動 OPP;對于要求中等水平功耗的網(wǎng)頁瀏覽而言,此時可為 VDD1 和 VDD2 設(shè)置正常的 OPP;聽音樂的功耗要求相對較低,可為 VDD1 和 VDD2 設(shè)置最低的 OPP。所有這些例子中,都可以激活 AVS 來降低“熱”器件和“冷”器件之間的功耗差異。最后,如果用戶保持媒體播放器開啟閑置數(shù)小時或幾天時間,則可以使用 SLM 來自動地將該設(shè)備轉(zhuǎn)入關(guān)機模式。
第 1 種情況:關(guān)機模式—0. 590 mW。這是一種最低功耗模式,TI 的 OMAP 3 可從該模式中自動喚醒。在這種模式下,整個器件(喚醒域除外)均處于關(guān)閉狀態(tài),喚醒域以低于 32 kHz 的頻率運行。閑置穩(wěn)壓器被關(guān)閉(VDD1 = VDD2 = 0),SDRAM 自刷新,并且在喚醒時特定啟動順序會恢復(fù) SDRAM 控制器和系統(tǒng)狀態(tài)。
第 2 種情況:待機模式—7 mW。這種器件狀態(tài)下,喚醒域處于運行狀態(tài),而其他所有非喚醒功耗域則處于低功耗維持狀態(tài)(VDD1 = VDD2 = 0.9V)。所有邏輯電路和存儲器得以維持。AVS 處于關(guān)閉狀態(tài)。
第 3 種情況:音頻解碼—22 mW(不包括 DPLL 和 IO 功耗)。盡管 ARM 以 125 MHz 運行,但是在其進入睡眠模式后 ARM 僅允許 DMA 從多媒體卡讀取輸入數(shù)據(jù)。IVA 對 MP3 幀(44.1 kHz、128k bps 立體聲)進行解碼,并將解碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送至位于 SDRAM 中的緩沖器。一個片上多通道緩存串行端口將數(shù)據(jù)發(fā)送給音頻編解碼器進行回放。至于系統(tǒng)配置,DSP 以 90 MHz 運行,并且在無需為處理提供循環(huán) (cycle) 時轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)以達到節(jié)能的目的。此時,VDD1 = 0.9V,而 VDD2 = 1V。
第 4 種情況:音頻/視頻編碼—540 mW(不包括 DPLL 和 IO 功耗)。在這種情況下,采集音頻并對其進行編碼(48 kHz 的 AACe+,32k bps 立體聲),采集視頻并對其進行編碼(20 幀/秒的 H.264 VGA 分辨率,2.4 Mbsp),并且對二者進行了存儲。與此同時,視頻被顯示出來。這種配置中,ARM 以 500 MHz 運行,DSP 以 360 MHz 運行,VDD1 = 1.2V,而 VDD2=1.15V。一個片上攝像頭子系統(tǒng)也會對來自外部傳感器的視頻輸入進行采集,多通道緩存串行端口對音頻 PCM 輸入進行采集,IVA 對視頻和音頻進行編碼,編碼后的數(shù)據(jù)被存儲至多媒體卡中,而顯示子系統(tǒng)則對視頻進行旋轉(zhuǎn)處理,并將其發(fā)送至 LCD 和 TV 輸出接口。
4 實施電源管理
為了實現(xiàn)電源管理的廣泛靈活性,DSP 處理器利用一個片上電源復(fù)位和時鐘管理器 (PRCM)。OMAP3530 處理器將其功能塊分為 18 個電源域,每一個域均有其自己的開關(guān)。PRCM 可對所有電源域進行開關(guān),但是它們中的許多仍然由用戶來控制。另外,每一個電源域都可以被切換到四種狀態(tài)的任何一種,具體取決于電力是否施加于邏輯電路和存儲器,以及時鐘是激活還是未激活:激活、未激活、維持或關(guān)閉。
這些狀態(tài)要求和備用穩(wěn)壓器配合,而一些基于 ARM 和 DSP 的器件一般都需要這種穩(wěn)壓器。市場上許多穩(wěn)壓器都可以完成這一工作;當(dāng)然,這些穩(wěn)壓器必須要滿足處理器的電壓、電流和電源轉(zhuǎn)換速率等規(guī)范要求,同時還要能夠滿足上電/斷電定序要求。為了實現(xiàn) DVFS 和 AVS 在基于 ARM 和 DSP 的處理器上運行,相關(guān)的穩(wěn)壓器還必須要具有 I2C 可編程性。在關(guān)機模式下,電路必須能夠利用自動發(fā)出的或由專用 GPIO 信號發(fā)出的 I2C 命令對 VDD1 和 VDD2 穩(wěn)壓器進行開關(guān)。第二種選項的喚醒時間更短一些,因為其沒有 I2C 延遲。為了減輕設(shè)計工程師的負擔(dān),最好將這些獨立功能的所有特性置于單個器件中,這樣可以極大地減少組件數(shù)量。
高級穩(wěn)壓器芯片整合了多個單獨開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓降線性穩(wěn)壓器,可滿足 OMAP35x 處理器處理各種電壓域的要求。
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