如何選用合適DSP元件進(jìn)行低功率設(shè)計(jì)

　　選擇適當(dāng)架構(gòu)

　　調(diào)整應(yīng)用功耗的另一種做法是選擇最適當(dāng)?shù)墓δ苷隙?、運(yùn)算處理單元和記憶體架構(gòu)。

　　週邊和記憶體的整合

　　元件和外部零件需要透過(guò)電路板互傳訊號(hào)，有可能是系統(tǒng)功耗的主要來(lái)源，因?yàn)榻?jīng)由電路板傳送訊號(hào)需要比晶片功能整合還高的電壓，電路板訊號(hào)線的寄生電容也會(huì)造成功耗。

　　運(yùn)算處理單元的調(diào)整

　　以系統(tǒng)單晶片為主的現(xiàn)代元件可以選擇不同類(lèi)型的運(yùn)算處理單元：

　　DSP

　　專(zhuān)門(mén)執(zhí)行訊號(hào)和影像處理演算法的處理器，內(nèi)建多組應(yīng)用最佳化硬體運(yùn)算邏輯單元和乘法器，能以極高效率執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)訊號(hào)處理演算法。這類(lèi)元件具備完整的可程式能力，可以輕松支援未來(lái)出現(xiàn)的新標(biāo)準(zhǔn)。

　　通用處理器

　　ARM處理器就是例子，其主要用來(lái)執(zhí)行一般性功能，例如圖形化使用者界面、網(wǎng)路堆疊（network stack）和整體系統(tǒng)控制。由于它們不必整合DSP功能所需的運(yùn)算處理單元，所以執(zhí)行一般性功能時(shí)功耗就比較小。

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　　特殊用途硬體協(xié)同處理器

　　只包含特定功能所需的算術(shù)單元和控制電路。如果應(yīng)用功能的定義很明確，又不太可能改變，即可將該功能整合到硬體協(xié)同處理器。舉例來(lái)說(shuō)，整合了Viterbi和Turbo處理器的DSP，便可專(zhuān)門(mén)執(zhí)行3G基地臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)所要求的前向錯(cuò)誤更正（FEC）。

　　今日的系統(tǒng)單晶片多半會(huì)整合前述多種運(yùn)算處理單元。有些架構(gòu)會(huì)採(cǎi)用多種不同類(lèi)型的運(yùn)算處理單元，然后將不同的功能交給最適當(dāng)?shù)暮诵膱?zhí)行。DSP可以高效率執(zhí)行訊號(hào)處理，RISC則適合處理系統(tǒng)控制和使用者界面等工作。由于每個(gè)運(yùn)算處理單元都以實(shí)際所需的速度執(zhí)行最擅長(zhǎng)的工作，故能將功耗減至最??；相形之下，若只用一個(gè)運(yùn)算處理單元執(zhí)行所有功能，其時(shí)脈頻率就必須更高，同時(shí)還要包含更多硬體，其中有些部份可能經(jīng)常處于閑置狀態(tài)。換言之，這類(lèi)設(shè)計(jì)的工作效率必然較低，而在工作效率就等于電源效率的情形下，其功耗必然更高。

　　記憶體系統(tǒng)的選擇

　　元件若想避免存取外部記憶體，也可將應(yīng)用所需的記憶體全部整合至晶片內(nèi)。然而視訊或影像系統(tǒng)之類(lèi)的應(yīng)用卻需要極為龐大的記憶體，將它們?nèi)空现辆璧某杀究赡苓h(yuǎn)超過(guò)直接在電路板上增加DRAM的費(fèi)用。這類(lèi)應(yīng)用可以利用快取架構(gòu)來(lái)減少外部記憶體的存取次數(shù)，進(jìn)行降低系統(tǒng)總功耗。

　　就算元件包含全部所需的記憶體，快取也能幫助它們降低功耗。這類(lèi)元件可以將少量的第一層快取記憶體直接連線到處理器，使其儲(chǔ)存主記憶體中最常用的內(nèi)容。主記憶體則是第二層記憶體，其速度通常較慢，所用的記憶體方塊也比第一層快取更省電。由于處理器的多數(shù)存取動(dòng)作都會(huì)命中第一層快取記憶體，這些記憶體又採(cǎi)用電容值較小的結(jié)構(gòu)，所以每次存取動(dòng)作的功耗就變得更低。

　　封裝與功耗

　　前述所有省電技術(shù)都能幫助元件減少產(chǎn)生熱量，封裝則能透過(guò)高效率散熱進(jìn)一步加強(qiáng)它們的效果。傳統(tǒng)的風(fēng)扇、散熱空間或

　　散熱片都不適合空間有限的可攜式應(yīng)用，它們的高度或成本也可能超過(guò)插入式模組或汽車(chē)應(yīng)用所能接受的范圍；相形之下，金屬散熱蓋或散熱層雖會(huì)增加元件成本，卻能提供更高散熱效率。有些元件還將散熱錫球連接到元件的散熱接地面，由它透過(guò)電路板來(lái)達(dá)成更良好的散熱效果。

　　選擇適當(dāng)技術(shù)

　　電池供電型應(yīng)用

　　可攜式或掌上型應(yīng)用最重視電池壽命，但可攜式應(yīng)用使用電池的方式卻有極大差異。可攜式產(chǎn)品有許多不同的操作模式，設(shè)計(jì)人員必須將這些模式列入考慮才能讓電池享有最長(zhǎng)壽命。

　　MP3播放機(jī)

　　由于歌曲下載時(shí)間只佔(zhàn)播放少部份的時(shí)間，這類(lèi)產(chǎn)品的電力多半用于歌曲播放。為了將待機(jī)功耗減到最少，它們還會(huì)在一段時(shí)間后自動(dòng)關(guān)機(jī)。MP3播放機(jī)必須將音樂(lè)即時(shí)解壓縮，避免資料流失造成各種雜音。MP3播放機(jī)的效能需求遠(yuǎn)小于視訊處理或?qū)掝l通訊等其它應(yīng)用，所以最適合使用低功耗DSP。這類(lèi)元件通常會(huì)採(cǎi)用低漏電制程，因?yàn)槁╇娙允侵饕膩?lái)源。它們還能採(cǎi)用頻率調(diào)整技術(shù)，以便根據(jù)歌曲所需的解碼效能來(lái)降低元件的時(shí)脈頻率。

　　數(shù)位相機(jī)

　　這類(lèi)產(chǎn)品有多種操作模式，包括：

　　(1)自動(dòng)關(guān)機(jī)的待機(jī)模式；

　　(2)預(yù)視模式（等待拍攝相片）；

　　(3)拍照模式（實(shí)際拍攝相片以及處理和壓縮影像）；

　　(4)錄影模式（部份相機(jī)具備此功能）。

　　數(shù)位相機(jī)的螢?zāi)挥袝r(shí)會(huì)開(kāi)啟很長(zhǎng)的時(shí)間，但DSP真正執(zhí)行影像壓縮的時(shí)間卻很短。數(shù)位相機(jī)在預(yù)視模式和拍攝模式都必須執(zhí)行許多即時(shí)處理作業(yè)，在預(yù)視模式必須不斷顯示最新畫(huà)面，在拍攝模式則要盡快完成相片的處理和壓縮，以便繼續(xù)拍攝下一張照片，進(jìn)而將兩次拍攝之間的延遲時(shí)間縮到最短。這種DSP包含多種不同的運(yùn)算處理單元：

　　●ARM7核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制功能和使用者界面；

　　●TMS320C54x處理器；

　　●SIMD影像處理引擎（iMX），提供可程式影像處理功能；

　　●可變長(zhǎng)度編碼和解碼（VLC/VLD）協(xié)同處理器，負(fù)責(zé)影像和視訊的壓縮與解壓縮；

　　●預(yù)視引擎，即時(shí)顯示預(yù)視畫(huà)面以及數(shù)位變焦。

　　它還具備很高的功能整合度，可以縮小產(chǎn)品體積和減少系統(tǒng)功耗：

　　●多用途的OSD功能；

　　●彩色液晶螢?zāi)坏臄?shù)位界面；

　　●CompactFlash、SmartMedia、Secure Digital以及Memory Stick記憶卡界面；

　　●多通道10位元數(shù)位類(lèi)比轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)提供NTSC/PAL復(fù)合視訊輸出；

　　●多通道串列音訊Codec界面（McBSP）；

　　●晶片內(nèi)建USB 1.1功能控制器。

　　這類(lèi)裝置可以選定某些很少使用的功能，然后在它們處于閑置狀態(tài)時(shí)切斷時(shí)脈訊號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，預(yù)視和待機(jī)模式可能不需要iMX和VLD/VLC功能方塊，相機(jī)未連接至個(gè)人電腦時(shí)則可將USB界面的電源關(guān)掉。

　　行動(dòng)電話(huà)

　　標(biāo)準(zhǔn)行動(dòng)電話(huà)有兩種電源模式：

　　(1)等待電話(huà)的待機(jī)模式；

　　(2)實(shí)際撥打電話(huà)的通話(huà)模式。

　　處于待機(jī)模式時(shí)，數(shù)據(jù)機(jī)功能（在等待電話(huà)時(shí)）會(huì)以低功耗模式操作，應(yīng)用功能（數(shù)位語(yǔ)音編碼和解碼）的電源則可完全切斷。手機(jī)進(jìn)入通話(huà)模式后，數(shù)據(jù)機(jī)功能和應(yīng)用功能就會(huì)在功耗較高的模式下操作。低耗電制程已能滿(mǎn)足這類(lèi)手機(jī)的處理需求，因此許多產(chǎn)品都採(cǎi)用這種制程以節(jié)省電力，此時(shí)產(chǎn)品凈功耗與每種模式所佔(zhàn)用的時(shí)間有關(guān)。它們還能使用電壓和頻率調(diào)整技術(shù)，以便根據(jù)操作模式的作業(yè)需求來(lái)調(diào)整元件功耗。先進(jìn)手機(jī)還增加數(shù)位相機(jī)、MP3和錄影功能，所以其操作模式也變得更多。為了支援這些操作模式，行動(dòng)電話(huà)通常會(huì)採(cǎi)用不同類(lèi)型處理器所組成的異質(zhì)架構(gòu)，由DSP和各個(gè)操作模式專(zhuān)用的硬體加速器來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)機(jī)和相機(jī)等應(yīng)用所需的訊號(hào)處理功能，再由DSP搭配負(fù)責(zé)使用者界面和系統(tǒng)控制功能的RISC處理器。如果某個(gè)模式不會(huì)用到加速器功能，系統(tǒng)也可切斷它們的電壓或時(shí)脈，例如待機(jī)模式不需要使用者界面時(shí)，可將RISC核心的電源關(guān)機(jī)。

　　可攜式應(yīng)用會(huì)視需要採(cǎi)取各種省電技術(shù)，以便將重要操作模式的功耗減到最低。

　　基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)

　　封包語(yǔ)音（VoIP）或基地臺(tái)收發(fā)器等設(shè)備所用的無(wú)線和有線基礎(chǔ)設(shè)施雖屬于「插入式」應(yīng)用，卻仍須在不同的功耗限制下操作。有些系統(tǒng)會(huì)在電源供應(yīng)和系統(tǒng)散熱能力已經(jīng)固定的機(jī)架上，增加新的功能單元或通道容量，這些系統(tǒng)通常必須在室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)故障時(shí)繼續(xù)正常操作。每個(gè)機(jī)架的總功耗都不能超過(guò)現(xiàn)有電源供應(yīng)的供電能力，電源供應(yīng)會(huì)將電源提供給機(jī)架上的電路板，每張電路板再將電源分配給電路板上的不同元件。隨著半導(dǎo)體元件日益精密，晶片還能提高操作頻率或內(nèi)建多顆DSP處理器來(lái)支援更多通道。另一方面，不斷縮小的電路結(jié)構(gòu)卻讓晶片產(chǎn)生更多功耗，因此透過(guò)封裝提高散熱效率也變得更重要。由于這些系統(tǒng)必須非?？煽?，所以在分析其電源和散熱需求時(shí)，應(yīng)將所有處理器都在最大負(fù)載下工作的情況列入考慮。

　　為了降低滿(mǎn)負(fù)載的操作功耗，這類(lèi)系統(tǒng)多半會(huì)採(cǎi)用在較低電壓下操作的高效能制程，并且搭配對(duì)于任何應(yīng)用都有幫助的多時(shí)脈域和時(shí)脈閘控技術(shù)。這些系統(tǒng)不會(huì)利用多電壓域技術(shù)降低功耗，因其包含大量而密集的處理器，此時(shí)若採(cǎi)用多電壓域技術(shù)會(huì)