滿足多媒體處理器需求的動態電源管理技術

Ａｒｔｈｕｒ　Ｍｕｓａｈ　Ａｎｄｙ　Ｄｙｋｓｔｒａ

摘要：本文將介紹相關多媒體處理器的電源管理技術原理，以及如何利用這些技術降低功耗，并討論采用哪些外部電源管理器件和功率IC可確保處理器芯片全面發揮省電特性。

關鍵詞：多媒體處理器；動態電源管理；DVFS；AVS；DPS

多媒體處理器通常是便攜式電子設備中功耗最大的器件。降低CPU功耗要求的通常做法是降低時鐘速率或工作電壓，但這樣做帶來的影響往往是降低系統性能。另一方面，芯片設計人員已推出多種片上技術，以在不影響系統性能的情況下降低功耗。

有源電源管理

片上電源管理技術分為兩大類，管理工作系統功耗與管理待機功耗。

有源電源管理分為三個領域：動態電壓與頻率縮放(DVFs)、自適應電壓調整(AVS)與動態電源切換(DPS)。靜態功耗管理需要確保閑置的系統在需要更高處理能力之前處于省電狀態，也就是采用所謂的靜態漏電管理(SLM)技術，這種管理通常依賴于從待機到斷電的幾種低功耗模式。

我們先來看看主動模式。利用DVFS技術，可根據應用的性能需求通過軟件來降低時鐘速度和電壓。例如，我們不妨設想一款集成了高級RISC微處理器(ARM)與數字信號處理器(DSP)的應用處理器。盡管ARM組件的運行速度可高達600 MHz，但系統并不總是需要如此高的計算能力。通常，我們可通過軟件來選擇預定義的處理器工作性能點(OPP)，這時的電壓可確保處理器工作在可滿足系統處理性能要求的最低頻率上。為了適應不同應用，進一步提高優化功率的靈活性，我們還可為處理器中的互連與外設預定義另外一組器件內核OPP。

軟件根據OPP需向外部穩壓器發送控制信號才能設置最低電壓。例如，DVFS適用于兩個供電電壓VDDl(DSP與ARM處理器的供電電壓)與VDD2(子系統與外設互連的供電電壓)，這兩個電壓軌提供了大部分芯片功率(通常在75％-80％)。在執行MP3解碼時，可將DSP處理器轉入低操作性能點，從而大幅減少功耗供處理其他任務之用，這時的ARM運行頻率高達125 MHz。為了在最佳功耗情況下實現必需的功能性，我們可將VDD1降至0.95V，而不使用最高1.35V的電壓，以確保600MHz的工作頻率。

自適應電壓縮放(AVS)作為第二種有源電源管理技術，是以芯片制造過程中以及器件運行生命周期中產生的差異為基礎的。該技術與所有處理器都采用相同預編程OPP的DVFS不同。可以想見，就大多數已經成熟的制造工藝而言，芯片的性能在既定頻率要求下要遵循一定的分布情況。部分器件(所謂的“熱”器件)相對于其他器件(所謂的“冷”器件)而言，能以較低的電壓實現給定的頻率，這就是AVS發揮作用的原理一一處理器感應到自身的性能級別，并相應調整供電電壓。專用的片上AVS硬件可實施反饋環路，無需處理器干預即可動態優化電壓電平，以滿足進程、溫度以及硅芯片衰減等造成的差異要求(圖1)。

軟件可在工作中為每個OPP設置AVS硬件，而控制算法則通過12C,總線向外部穩壓器發送指令，以逐步降低穩壓器的輸出，直至處理器剛好超過目標頻率的要求為止。

例如，開發人員可首先設計一個能滿足所有情況的電壓，在125MHz頻率下為0.95V(在圖1中的u，上方)。但是，如果系統中插入了采用AVS技術的“熱”器件，那么片上反饋機制就會自動將ARM的電壓降至0.85V或更低(圖1中的U上方)。

前兩種有源電源管理技術可以最小的工作電壓讓器件的某部分工作在理想的速度上。相比之下，第三種方法一動態功率切換(DPs)先確定器件何時可完成當前的計算任務，如果暫時不需要，則讓器件進入低功耗待機狀態(圖2)。例如，處理器在等待DMA傳輸完成過程中會進入低功耗狀態。處理器在喚醒后幾微秒內就能返回正常工作狀態。

無源電源管理

雖然DPS可讓多媒體片上系統(SOC)的一部分進入低功耗狀態，不過在有些情況下，我們可讓整個器件都進入低功耗模式一在沒有應用運行時自動或通過用戶請求進入低功耗模式。要實現這一目的，我們可應用靜態漏電管理(SLM)技術，啟動待機或器件關閉模式。這兩種模式一個關鍵的不同之處在于：在待機模式下，器件仍然占用著內部存儲器和邏輯，而在器件關閉模式下，所有系統狀態都保存于外部存儲器中。利用SLM技術，喚醒時間大大快于冷啟動速度，因為程序已經載入到了外部存儲器，用戶無需等待操作系統(OS)完全重新啟動。在采用SLM技術情況下，我們以媒體播放器為例，如果打開10s后還沒有得到處理指令或用戶輸入，就會關閉顯示屏進入待機或器件關閉模式。

例如，TI采用ARM Cortex-A8內核的OMAP35x單芯片處理器器件就支持器件關閉模式，即器件可自動喚醒的最低功耗模式。除了喚醒域之外，所有電源域均關閉，耗電的只有喚醒域與I／O漏電流。系統時鐘關閉，在此情況下，喚醒域的時鐘被單獨設為32kHz。此外，OMAP35x還可自動向外部穩壓器發送信號，穩壓器能夠在深度睡眠狀態下關閉。處理器內部不保存存儲器或邏輯。在進器件關閉電模式前，系統狀態存儲在外部存儲器中。經后喚醒復位后，微處理器單元(MPU)會啟動用戶定義的功能，SDRAM控制器配置從高速暫存存儲器(sPM)中恢復。

可滿足各種用途的技術

通過結合采用上述電源管理技術，我們可實現多種操作條件下的最佳功耗。如果系統忙于處理播放高分辨率視頻等便攜式播放器任務，那么可在VDDl上設置過壓OPP。如果是功耗適中的web瀏覽，則可為VDDl與VDD2設置額定的OPP。若是功耗較低的音樂欣賞，則可為VDDl與VDD2設置最低的OPP。在上述所有情況下，我們都可啟動AVS來平衡“冷”、“熱”器件的功耗差別。最后，如果用戶打開媒體播放器但數小時或數天都不使用，就會通過SLM技術自動使器件進入關閉模式。

為更好的理解采用上述技術所帶來的節能優勢，需要將下列案例納入考慮范圍。在以下案例中，除有特別說明，否則我們一概不采用TI的AVS／SmartReflex技術。在這些描述中，IVA指影像、視頻以及音頻加速器子系統。

·案例一：器件關閉模式－0.590mW。這是TIOMAP可自動喚醒的最低功耗模式。在該模式下，整個器件除了喚醒域之外全部關閉，而喚醒域的工作頻率還不到32kHz。關閉不使用的穩壓器(VDDl=VDD2=0)，自動刷新SDRAM，喚醒時特殊啟動序列恢復SDRAM控制器和系統狀態。

·案例二：待機模式－7mW。在該器件狀態下，僅喚醒域工作，所有其他非喚醒電源域都處于低功耗保存狀態(VDDl=

VDD2=0.9V)。所有邏輯和存儲器將保留。AVS關閉。

案例三：音頻解碼－22mW(不含DPLL與IO功耗)。雖然ARM工作在125MHz頻率上，但僅設置DMA從多媒體卡讀取輸入數據，隨后進入休眠狀態。IVA解碼MP3幀(44.1kHz、128kbit／s立體聲)，并將解碼數據發送到SDRAM的緩沖中。片上多通道緩沖串行端口發送數據到音頻編解碼器以用于回放。就系統配置而言，DSP的工作頻率為90MHz，在無需處理周期時進入低功耗模式以降低功耗。這時，VDDI為0.9V，VDD2為1V。

·案例四：音頻／視頻編碼－540mW(不含DPLL與IO功耗)。在該案例中，我們捕獲并對音頻進行編碼(AACe+、48kHz、32kbit／s立體聲)，捕獲并編碼視頻(H.264VGA分辨率，每秒20幀，2.4Mbit／s)，音頻和視頻都保存，同時顯示視頻。在該配置下，ARM工作頻率為500MHz，DSP運行頻率為360MHz，VDDl為1.2V，VDD2為1.15V。此外，片上攝像子系統還可從外部傳感器捕獲視頻輸入，多通道緩沖串行端口捕獲音頻PCM輸入，IVA執行音頻和視頻編碼，編碼數據存儲在多媒體卡中，而顯示子系統則使視頻循環，并將視頻發送至LCD與電視輸出接口。

實施電源管理

為了實現充分的電源管理靈活性，DSP處理器采用片上電源復位與時鐘管理器(PRCM)。OMAP3530處理器的功能模塊分為18個電源域，每個電源域都擁有自己的開關。PRCM可開關所有電源域，但許多電源域也可由用戶控制。此外，每個電源域都能根據邏輯與存儲器是否加電、以及時鐘是否處于工作狀態而進入四種狀態之一：工作狀態、非工作狀態、保持或關閉。

就ARM與DSP器件而言，上述狀態通常需要輔助穩壓器。市場上的許多穩壓器都可滿足上述要求，當然還需滿足處理器的電壓、電流、功率轉換速率規范以及功率上升下降排序要求等。為了在ARM與DSP處理器上執行DVFS與AVS操作，相關穩壓器必須支持FC可編程性。在器件關閉模式下，電路系統必須能通過自動發出的12C命令或專門的GPIO信號打開或關閉VDDl與VDD2穩壓器。如果采用GPIO信號，由于不存在12C延遲，那么喚醒時間會更快些。為了減輕設計工程師的負擔，上述各功能的所有特性最好集成在單個器件中，從而大幅減少部件數(圖3)。