便攜系統(tǒng)中微處理器功耗的設(shè)計(jì)考慮

市場對(duì)高性能和新特色產(chǎn)品的持續(xù)需求給便攜設(shè)備的設(shè)計(jì)為員出了種種難題。在許多情況下，設(shè)計(jì)已達(dá)到所允許功耗的極限。計(jì)算機(jī)和電話用戶往往不原使用電池壽命太短的產(chǎn)品。所以，最佳的解決方案是降低電路的功耗--從微處理器開始，它是系統(tǒng)的核心并且消耗的功率最大。

通常，處理器是最主要的功耗部件，盡管便攜設(shè)備的其他部件也消耗不少功率。例如在筆記本計(jì)算機(jī)中，磁盤驅(qū)動(dòng)、顯示和圖形電路與微處理器爭用可用電池功率。在通信設(shè)備（如數(shù)字蜂窩電話）中，其RF電路的功耗與基帶處理器的功耗不相上下。所以，做為設(shè)計(jì)工程師必須擬定功率預(yù)算，并確定不同特性的相對(duì)優(yōu)先次序。

在Intel公司出版的“Mobile Power Guidelines 2000”中，建議筆記本計(jì)算機(jī)功率預(yù)算分配5W給微型筆記本計(jì)算機(jī)的處理器，9.5W給全特性筆記本計(jì)算機(jī)的處理器（見表1）。兩種類型筆記本計(jì)算機(jī)都假定包含硬盤驅(qū)動(dòng)器（功耗1.4W左右），但只有較大型的才包含DVD驅(qū)動(dòng)器（功耗1.4W）。同樣，微型筆記本計(jì)算機(jī)給顯示器分配的功紡較少（2.8W對(duì)4.3W）。正如在Interl例子中可看到的那樣，任何所需功率的削減必須在各個(gè)方面進(jìn)行，而不僅僅是在處理器方面。即使微處理器的效率不斷提高，處理器功率的顯著低通常也要對(duì)性能加以權(quán)衡。所以，對(duì)處理器性能的要求必須與對(duì)其他特性（如DVD驅(qū)動(dòng)器）的要求加以平衡。

困難的相互比較

不同類型微處理器（CISC，RISC或DSP）的額定功率是不同的，這是因?yàn)樗鼈冡槍?duì)不同的應(yīng)用。對(duì)于一給定的類型，不同的制造商也規(guī)定在不同條件下的額定功率。功率增加通常正比于工作負(fù)載。所以，微處理器往往被定額為每兆赫時(shí)鐘頻率需要多少瓦。但是，其他類型的處理器在某一給定的時(shí)鐘頻率下執(zhí)行更多的指令或完成更多次的運(yùn)算。因此，有些廠商喜歡標(biāo)定每瓦功耗完成多少M(fèi)ips（每秒百萬條指令）或MOPS（每秒百萬次運(yùn)算）。

遺憾的是，廠家兜售的數(shù)值大多并沒有給為們所需的信息。人們希望知道在特定應(yīng)用中在正常工作條件下的功耗。很多微處理器廠商給出在空載條件下的功率，而不是峰值性能。因此，最好的辦法是標(biāo)定一種很近似于實(shí)際應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)測(cè)試。Intel 公司對(duì)筆記本計(jì)算機(jī)所建議的功率預(yù)算是基于3-D WinBench測(cè)試的，這種測(cè)試包含圖形密集的指令混合比例。因此，針對(duì)微型筆記本計(jì)算機(jī)應(yīng)用的帶L2高速緩存的Mobile Pentium II處理器的峰值功率為6W、休眠功率為0.36W、平均3-D WinBench 功率為5W.

降低功耗的一個(gè)方法是在處理器芯片中增加更多外設(shè)元件，以避免需要功耗的線路驅(qū)動(dòng)器。由于避免了寄生電感和電容，這種方法也有助于改進(jìn)整機(jī)性能。當(dāng)然，增加電路元件仍將會(huì)增加芯片的總功耗。

性能提高

為通用PC和工作站而設(shè)計(jì)的Interlx86和Pentium 微處理器總是需要較大的功率，這是因?yàn)槠浯蟮闹噶钕到y(tǒng)和復(fù)雜的體系結(jié)構(gòu)所致。然而，隨著便攜計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，Interl公司不得不針對(duì)移動(dòng)設(shè)備市場推出其處理器的較低功率型?，F(xiàn)在Interl提供Celeron和Pentium II處理器的移動(dòng)型。移動(dòng)型Celeron的時(shí)鐘頻率高達(dá)366MHz，而移動(dòng)型433MHz型今年每三季度推出。Interl今年底將推出Copper-minePentium III的移動(dòng)型，工作在600MHz以上。

所的Interl 移動(dòng)型微處理器現(xiàn)在都采用PGA（引腳網(wǎng)格陣列）插座。原來Celeron處理器為了降低成本不包含L2高速緩存，而而在包含128kB片上L2高速緩存，而Pentium II和Pentium III的L2為256 kB。當(dāng)然，現(xiàn)在所有處理器都包含32 kB L1高速緩存。Celeron型在Intel 的移動(dòng)型處理器中功耗最低。由于移動(dòng)型Celeron的Quick Start能節(jié)特性，便利處理器的空載功率只有0.4W，而采用MMX技術(shù)的Pentium處理器功率為1.1W。

通常，較新的處理器比其原先的型號(hào)具有更高的功效。使用片上L2高速緩存既提高了性能又在實(shí)際上降低了功耗（與使用同樣大小的外部L2高速緩存相同）。同樣，并行處理技術(shù)是既提高性能又不大幅增加功耗的有效方法。除超標(biāo)量和超流水線硬件結(jié)構(gòu)外，Intel 的新芯片包括用于特殊多媒體指令的SIMD（單指令，多數(shù)據(jù)）處理技術(shù)。大多數(shù)高性能微處理器現(xiàn)在采用0.25μm工藝，而下一代將用0.18μm。所以功率/性能比繼續(xù)下降。

圖1示出Hitachi公司RISC微處理器猛增的性能與功率關(guān)系。SuperH 家族的最新RISC微處理具有1000Mips/W，每瓦的性能是3年前早期型號(hào)的5倍。Hitachi公司希望將來的RISC處理器達(dá)到2000Mips/W。除具有更快的處理速度外，SH-4系列中新的32位RISC芯片包含一個(gè)PCI（2.1版本）接口以避免I/O性能瓶頸。

更激烈的競爭

除了更高的電路密度和吸引人的移動(dòng)設(shè)備市場外，增強(qiáng)競爭力是迫使Intel 公司大幅降低它的微處理器功耗和成本的另一因素。有些參與競爭的公司（如AMD）經(jīng)慎重考慮已瞄準(zhǔn)移動(dòng)應(yīng)用。最近市場報(bào)告指出，今年4月份AMD的市場份額為44%，Intel為51%，而18個(gè)月以前Intel在同一移動(dòng)型處理器市場的份額超過99%。

在處理器型號(hào)方面，AMD的移動(dòng)型K6-2現(xiàn)在是市場的主導(dǎo)產(chǎn)品，這要?dú)w功于Toshiba和Compaq公司在流行的筆記本計(jì)算機(jī)中采用它。AMD的處理器的功耗與Intel的類似處理器的功耗相當(dāng)。例如，具有3DNOW技術(shù)的AMD移動(dòng)型K6-2-P處理器功耗在典型應(yīng)用中小于12W。而AMD的移動(dòng)型處理器的處理速度比Intel的更高。例如，AMD的移動(dòng)型K6-2的頻率為380MHz，而Intel的移動(dòng)型Celeron和移動(dòng)型Pentium II 的頻率只有366MHz。盡管Intel現(xiàn)在有400MHz的移動(dòng)型Petium II，而AMD也有400MHz K6-2-P和380MHz K6-III-P。

用于K6-III-P的AMD TriLevel Cache，使其處理器家庭比Intel的移動(dòng)型處理器具有更高的性能。AMD芯片具有片上64KB L1高速緩存和片上256KB L2高速緩存。另外還有100MHz總線支持高達(dá)1MB的任選外部L3高速緩存。像K6-2-P一樣，K6-III-P在典型應(yīng)用中的功耗小于12W。

一個(gè)小公司Rise Technology公司以廉價(jià)、低功率并與X86兼容的處理器瞄準(zhǔn)1000美元以下的筆記本計(jì)算機(jī)市場。該公司的mp6家庭已用0.25μm工藝投入批量生產(chǎn)，時(shí)鐘頻率高達(dá)266MHz?，F(xiàn)在Rise 公司正在推出時(shí)鐘頻率高達(dá)366MHz的0.18μm型的樣品。第二種0.18μm型（mp6 II)將于今年晚些時(shí)侯推出，其時(shí)鐘頻率高達(dá)466MHz。該公司聲稱，mp6和mp6 II的2V型與任何參與競爭的處理器相比，其功耗是最低的，是其他移動(dòng)型處理器功耗的50%。在300MHz，Rise mp6 II的功耗典型值小于4.5W。

采用RISC

大多數(shù)移動(dòng)應(yīng)用不采用Intel PC體系結(jié)構(gòu)。例如，Windows CE掌上計(jì)算機(jī)不用x86處理器，而用RISC處理器。PC體系結(jié)構(gòu)具有系統(tǒng)軟件等優(yōu)點(diǎn)。但x86微處理器幾乎從來不是最有效利用電能的方案。所有的功率利用率記錄似乎都是由RISC處理器保持的。

Hitachi公司的新處理器采用0.18μm工藝技術(shù)，工作在低電壓。在1.5V，該處理器運(yùn)行在133MHz，需240mW功率；d 1.8V，運(yùn)行在167MHz，需要400mW。這與同樣性能的處理器相比，其電池壽命延長70%。因?yàn)樘幚砥餍酒粋€(gè)66MHz PCI總線控制器，所以不需要外部PCI橋接芯片，減少了芯片數(shù)。

RISC芯核

當(dāng)然，通過在一個(gè)定制的片上系統(tǒng)中使用一個(gè)芯核處理器可實(shí)現(xiàn)最少的芯片數(shù)（亦即最低的成本、最小的體積、最輕的重量和最少的電池消耗）。ARM和MIPS Technologies 公司成功地設(shè)計(jì)出RISC芯核，并許可其他公司把它們用在實(shí)際的產(chǎn)品中。

例如，NEC Electronics 把MIPS 芯核用在它的新的64位RISC處理器中，這種處理器支持Windows CE操作系統(tǒng)。這種處理器可以用于掌上PC或定制便攜產(chǎn)品。NEC的VR4121處理器運(yùn)行在168MHz，達(dá)到224MIPS。

當(dāng)然，NEC處理器包含比RISC更多的功能。完整的芯片也包括一個(gè)DSP型乘法和累加（MAC）指令，這可為便攜產(chǎn)品提供調(diào)制解調(diào)器性能。它也含用于中斷控制及DMA尋址和控制的電路。多達(dá)49個(gè)通用輸入/輸出（GPIO）引腳可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員編程，而功率管理部分提供4種節(jié)省功率的模式：全速、維持、暫停、休眠。

類似的處理器芯片VRC4171A可為手持產(chǎn)品增加彩色LCD圖形和PC卡控制。這種芯片工作在3.3V，典型的功耗為250mW。它的4個(gè)可編程GPIO引腳允許與外設(shè)通信。這種芯片為處理器提供所需的圖形支持而不會(huì)導(dǎo)致大的功耗。隨著便攜產(chǎn)品開始包含彩色圖形顯示和其他多媒體特性，使得找到兼容的圖形芯片日益重要起來。

Media Q公司的MQ-200是一款用于消費(fèi)類電器的圖形和顯示芯片。除控制器外，該芯片還包含嵌入式DRAM和模擬電路。128位圖形引擎和兩個(gè)板上圖形控制器共享1.2GB/s片上存儲(chǔ)器總線，這與其他產(chǎn)品相比，總的圖形性能提高6位。這種芯片支持總功率預(yù)算小于4W的系統(tǒng)，而典型的筆記本計(jì)算機(jī)的功率預(yù)算是20W或更高。

高集成度

對(duì)于便攜設(shè)備，使芯片數(shù)最少也將使體積最小、重量最輕、成本最低和功耗最少。在數(shù)字蜂窩電話中，芯核RISC處理器構(gòu)成一個(gè)高集成度子系統(tǒng)的一部分。基帶部分（非RF部分）一般集成一個(gè)RISC微控制器、一個(gè)低成本DSP、存儲(chǔ)器、鍵盤和屏控制器以及連接邏輯（見圖2）。ARM公司的ARM7 TDMI很適合于這種應(yīng)用。它每兆赫只消耗1.85mW，相對(duì)低的13MHz速率可同步GSM900系統(tǒng)中的微控制器。RISC芯核在芯片上只占4.9mm 2的面積。因?yàn)樗梢栽诘偷碾妷合鹿ぷ?，所以片上存?chǔ)器往往比片外存儲(chǔ)器消耗更少的功率。ROM的功耗也小于SRAM。在可能的情況下，使用空載模式可節(jié)省功率。通常，片上必須包含一個(gè)鎖相環(huán)，以便為DSP提供時(shí)鐘信號(hào)。

在某些應(yīng)用（如媒體流處理）中處理器可由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)而不是由固定頻率時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。因此，只有當(dāng)處理器實(shí)際工作時(shí)才消耗功率。Sharp公司的DDMP（數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)媒體處理器）就是這種實(shí)例。由于這種芯片缺乏一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，所以被人們接受非常有限。Sharp現(xiàn)在計(jì)劃把DDMP改為可重新配置的并行處理器芯核。

ARC Cores和Tensilica是兩家提供可配置的嵌入式處理器的公司。可配置芯核采用定制指令使功耗最小。插入一種定制指令使一高冗余的噪聲消除算法從3000個(gè)周期下降10個(gè)周期。這樣的一種指令將延長電源壽命20～25%左右。