高能效系統(tǒng)的功耗優(yōu)化技術(shù)

Punya Prakash Kazunobu Shin

摘要：本本將敘述了各種系統(tǒng)選擇方案及其對(duì)系統(tǒng)功耗的影響，全面介紹了處理器電源管理功能，并討論總系統(tǒng)功耗的一些重要促進(jìn)因素。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/164395.htm

關(guān)鍵詞：處理器；功耗；TI；Sitara

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.016

高能效系統(tǒng)的組成模塊

有幾種技術(shù)可以降低運(yùn)行和靜態(tài)功耗。一般而言，對(duì)功耗具有最大影響的因素有四個(gè)：處理器、DDR內(nèi)存、顯示和電源設(shè)計(jì)，如圖1所示。通過選擇正確的系統(tǒng)組件和設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)軟件架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化。

如圖1，該圖假設(shè)85%功率設(shè)計(jì)效率、DDR3內(nèi)存和有源顯示。

處理器

TI的Sitara AM335x處理器擁有調(diào)試靈活的電源管理架構(gòu)。處理器和內(nèi)核可根據(jù)具體應(yīng)用自主調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和功率配置。

圖2所示電源、重置與時(shí)鐘管理（PRCM）模塊，以及Linux電源管理軟件堆棧均可用于優(yōu)化AM335x處理器功耗。它幫助控制各模塊，從而最小化處理器的功耗。在控制不同工作性能點(diǎn)（OPP）時(shí)，電壓域至關(guān)重要。OPP是處理器電壓和頻率的組合，而用戶可對(duì)其進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)最佳處理器功耗，從而滿足所有給定性能要求。

電壓控制與電壓調(diào)節(jié)器為外部器件，通過電源管理IC（PMIC）來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)處于活躍狀態(tài)時(shí)，可關(guān)閉單個(gè)功率域及所有其模塊。同樣，還可以對(duì)特定模塊進(jìn)行控制。當(dāng)一個(gè)模塊可用時(shí)，另一個(gè)模塊在不使用時(shí)可完全關(guān)閉。

TI的Sitara AM335x處理器支持MPU和CORE的單獨(dú)電壓域。由于擁有不同的電壓域，可對(duì)MPU和CORE OPP進(jìn)行配置，并單獨(dú)控制。

根據(jù)不同的應(yīng)用要求，可對(duì)MPU OPP進(jìn)行動(dòng)態(tài)更改。AM335x處理器支持5個(gè)不同的工作點(diǎn)：OPP50、OPP100、OPP120、Turbo和Nitro。由于具有10MHz到1GHz的寬頻率范圍，它可以提供靈活的配置。通過專用處理器DPLL，可支持定制處理器頻率。圖3顯示了5個(gè)不同支持OPP下的MPU電壓和性能。

CORE OPP支持2個(gè)電壓工作點(diǎn)，并相互連接頻率集。如果低CORE OPP支持的總線吞吐量足以滿足系統(tǒng)性能要求，則可使用低CORE OPP，更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。圖4顯示了CORE OPP電壓和性能工作點(diǎn)。

DDR內(nèi)存

TI的Sitara AM335x處理器內(nèi)存控制器支持許多DDR內(nèi)存—LPDDR1、DDR2、DDR3（L）（RS）。每個(gè)DDR選項(xiàng)的有效性時(shí)間由內(nèi)存廠商決定，內(nèi)存選擇對(duì)總系統(tǒng)功耗的影響度可達(dá)20%。

在一些應(yīng)用中，高DDR速度是一個(gè)基本要求，其要求使用VTT端接來實(shí)現(xiàn)更好的信號(hào)完整性。這種更高的信號(hào)完整性的代價(jià)是更高的功耗。當(dāng)單個(gè)DDR3/DDR3L器件用于AM335x處理器并且PCB板設(shè)計(jì)遵行TI推薦的PCB設(shè)計(jì)原則時(shí)，可避免DDR VTT端接。Sitara AM335x處理器產(chǎn)品說明書介紹了實(shí)現(xiàn)這種解決方案的PCB設(shè)計(jì)原則。

顯示

可以為功耗優(yōu)化專門定制幾種基于顯示應(yīng)用的方法。這種處理器還擁有一個(gè)備選電阻式觸摸控制器和SGX圖形加速器。使用AM355x PRCM模塊以后，所有這些子系統(tǒng)均可在閑置時(shí)關(guān)閉。

我們可以開發(fā)一些應(yīng)用程序，以在一段時(shí)間或者觸發(fā)某個(gè)手動(dòng)事件以后關(guān)閉顯示器面板，其最高可節(jié)省23%處理器功耗。通過外部事件，例如：觸摸或者接近傳感器等，可以重新開啟顯示器。

此外，還可以通過調(diào)節(jié)顯示器的分辨率、刷新率和亮度來實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)功耗優(yōu)化。

電源設(shè)計(jì)

TI根據(jù)不同的應(yīng)用要求，為AM335x處理器提供眾多PMIC解決方案。我們可以選擇不同的PMIC解決方案來優(yōu)化這種解決方案。如圖5所示，所有PMIC解決方案均支持各種處理器頻率和內(nèi)存配置。除此以外，一些附加功能還可直接降低解決方案的系統(tǒng)成本。

TPS65217x支持集成電池充電器的便攜式解決方案。利用這種PMIC解決方案，可支持基于顯示器應(yīng)用的背光。TPS65910x支持范圍為300MHz～1GHz，并提供高級(jí)電源管理功能，例如SmartReflex等，而RTC模式支持則可幫助實(shí)現(xiàn)靈活的電源管理架構(gòu)。第三種版本即TPS650250，是一種簡單、低成本的解決方案，支持OPP50和OPP100。

選擇功率IC組件時(shí)，需在板尺寸、BOM成本和效率之間做出權(quán)衡。功率IC效率可極大影響系統(tǒng)功耗。各種功率IC組件的功耗會(huì)影響總系統(tǒng)功耗。由于應(yīng)用種類繁多，并且板成本和尺寸目標(biāo)也不同，很難對(duì)此進(jìn)行量化。功率IC產(chǎn)品說明書說明了某些工作條件下的效率曲線。理解目標(biāo)輸入和輸出電壓下的效率，并選擇能夠達(dá)到系統(tǒng)功耗目標(biāo)的正確DC-DC轉(zhuǎn)換器，對(duì)于高能效系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。

處理器功耗優(yōu)化實(shí)踐

功耗延遲權(quán)衡

TI的Sitara AM335x處理器擁有數(shù)種深度睡眠（DS）模式，其與內(nèi)核處理器的功耗成正比。決定DS模式的因素包括：失效時(shí)間、手動(dòng)撤銷和連接內(nèi)核的活躍外圍器件。最深度睡眠（DSO）可實(shí)現(xiàn)最低的內(nèi)核功耗，但是它喚醒系統(tǒng)的延遲也更長。作為對(duì)DS模式的補(bǔ)充，待機(jī)模式擁有更短的喚醒延遲。圖6顯示了每種功耗模式的詳細(xì)情況。

高能效顯示器應(yīng)用

為了讓您更好地理解我們所討論的內(nèi)容，本小節(jié)將為您介紹一個(gè)為高能效解決方案而優(yōu)化的顯示器型應(yīng)用。在這個(gè)支持Wi-Fi的應(yīng)用中，TI的Sitara AM335x處理器用于處理來自不同端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。如果USB和以太網(wǎng)子系統(tǒng)未用于該應(yīng)用，則可通過靈活的PRCM架構(gòu)關(guān)閉這些模塊。

1、整合來自各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這些端節(jié)點(diǎn)通過I2C和Wi-Fi連接至處理器。

2、Wi-Fi通過SDIO連接，而GPIO則用作喚醒源。

圖7所示狀態(tài)圖描述了從活躍模式到低功耗模式的系統(tǒng)過渡情況。在活躍模式下，處理器在1GHz下工作，并且開啟顯示器和圖形引擎。當(dāng)高網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)減少并且無用戶界面（UI）活動(dòng)超過10秒時(shí)，系統(tǒng)便過渡到低功耗狀態(tài)。任何UI活動(dòng)均可激活系統(tǒng)，例如：接近傳感器或者觸摸事件。

在低功耗模式下，顯示器和圖形引擎模塊關(guān)閉。除閉關(guān)顯示器以外，處理器頻率也可降低至10MHz。每一段時(shí)間（例如：30分鐘）收集一次數(shù)據(jù)以后，處理器掛起至深度睡眠狀態(tài)。在掛起狀態(tài)下，DDR處于自我刷新狀態(tài)。Wi-Fi事件可通過GPIO喚醒處理器，然后讓處理器恢復(fù)至低功耗模式下。

處理器可以直接從活躍模式掛起至深度睡眠狀態(tài)；在掛起模式下，任何喚醒事件都會(huì)讓系統(tǒng)恢復(fù)至活躍狀態(tài)。

結(jié)論

隨著能源成本的不斷增長，系統(tǒng)自動(dòng)化成為大勢(shì)所趨。投資這些系統(tǒng)要求一種可擴(kuò)展型解決方案，其能夠在低功耗/性能和高性能之間切換。TI的Sitara AM335x處理器擁有靈活的架構(gòu)，可為計(jì)算密集型應(yīng)用提供高處理能力。通過各種功耗和性能調(diào)節(jié)功能，用戶可受益于智能整體產(chǎn)品。這些產(chǎn)品專為高效率而設(shè)計(jì)，擁有較高的競爭優(yōu)勢(shì)。