多媒体处理器动态电源管理技术
2010-12-18 10:41:17
来源：《半导体器件应用》2009年11月刊
多媒体处理器通常是便携式电子设备中功耗最高的器件。降低CPU功耗要求的常见方法是降低时钟频率或工作电压，但是一般而言这样做会使系统性能降低。另一方面，芯片设计人员还提出了各种片上方法来降低功耗，并且不会对系统产生不利影响。本文介绍了这些方法的概念，以及我们如何运用它们实现节能的目的，同时还讨论了帮助处理器芯片获益的一些外部电源管理器件和电源 IC。
有源电源管理
片上电源管理技术主要适用于两类应用：管理有源系统功耗和管理待机功耗。
有源电源管理分为三个部分：动态电压与频率缩放(DVFS)；自适应电压缩放(AVS)；以及动态电源转换(DPS)。另一方面，静态功耗管理包括在需要进行更多处理以前将空闲系统维持在一种低功耗状态。这种电源管理使用所谓的静态漏电管理(SLM)，其通常利用从待机到关机的数种低功耗模式。
让我们来看一下有源模式。利用DVFS，根据应用所要求的不同性能，时钟频率和电压在软件中得到了降低。例如，一款包括了先进RISC机器(ARM)和数字信号处理器(DSP)的应用处理器，即使ARM组件可以运行在高达600MHz的时钟频率下，但却并非总是需要所有这些计算能力。一般而言，软件会选择数个预定义处理器工作性能点(OPP)，其包括确保处理器能够运行在满足系统处理要求的最低频率下的电压。在对满足不同应用要求的功耗进行优化的过程中，为了获得更大的灵活性，人们为处理器中的互连和外设预定义了一个单独的器件内核OPP集。
与给定的OPP相对应，软件向外部稳压器发出控制信号来设置最低电压。例如，DVFS适用于两个电压源 VDD1（为DSP和ARM处理器供电）和VDD2（为子系统和外设之间的互连供电），同时这些电源轨提供芯片所需的大部分电量（一般约为全部所需电量的75%到80%）。通过将DSP处理器转入一个ARM可以高达125MHz时钟频率运行的低工作性能点完成对MP3解码的同时，还可以有许多剩余电力用于完成其他任务。为了获得具有理想功耗的这种功能性，我们可以把VDD1降至0.95V，而非保证600MHz运行的1.35V最高电压。
第二种有源电源管理技术即自适应电压缩放(AVS)基于芯片制造和器件工作寿命期间出现的各种变化。这种技术是相对于DVFS的，DVFS中所有处理器均具有相同的预编程OPP。正如人们认为的那样，在大多数现有制造工艺中规定频率要求的芯片性能符合一种充分定义的电源分配。相比许多“冷”器件，一些器件（即“热”器件）可以在较低的电压下达到规定频率。此时，AVS便可以发挥作用了—处理器检测其自有性能水平，并相应地调节各电压源。专用片上AVS硬件可实施一个反馈环路，其并不要求处理器介入，从而动态地优化电压电平来应对处理结果、温度和硅芯片性能降低中的变化（请参见图 1）。
图1显示了特定处理器的典型性能分布情况。其中，“冷”器件要求0.94V电压以实现125MHz的运行，而“热”器件则只需要0.83V就可实现相同频率的运行。自适应电压缩放(AVS)使用一个可相应调节电源电压的反馈环路，这样单个器件便可以完成特定处理任务所需的频率运行了。
运行中，软件为每一个OPP安排AVS硬件，同时控制算法通过一条I2C总线向外部稳压器发送命令，逐步递增降低相应稳压器的输出，直到该处理器刚好超出目标频率要求为止。
例如，开发人员可以在一个适合于所有情况的电压下并以0.95V的125MHz频率为目标开始进行设计（上面图1所示的V1）。但是，如果一个使用AVS的“热”器件被插入该系统，那么该片上反馈机制就会自动地将电压降至 ARM，即0.85V或更低（上面图1所示的V2）。
前两种有源电源管理方法可获得理想速度下运行器件局部所需的最低工作电压。相比之下，第三种方法动态电源转换(DPS) 可确定器件何时完成其当前计算任务，如果当前并不需要，则将器件切换到低功耗状态（请参见图2）。例如，在等待DMA传输完成时，处理器进入低功耗状态。唤醒时，处理器可以在数微秒时间内迅速返回到正常状态。
图2动态电源转换(DPS) 将完成任务后的特定器件的相应部分切换至低功耗状态。
无源电源管理
DPS只能将多媒体片上系统(SoC)的某一部分切换至低功耗状态，而在许多情况下将整个器件都切换至低功耗状态是颇具现实意义的（无论是无应用程序运行时自动切换，还是根据用户要求切换）。为了达到这一目标，我们可以运用了静态漏电管理(SLM)，其被用于启动待机或关机模式。一个关键的区别在于，在待机模式下该器件可维持内部存储器和逻辑电路的状态，而在关机模式下所有系统状态均被存入外部存储器中。利用SLM后，唤醒时间比冷启动要短得多，因为程序已经被加载到外部存储器，并且用户不必等待整个操作系统(OS)重新启动。媒体播放器可能会是运用SLM的一个例子：在没有处理任务也没有用户输入的状态下持续10秒钟后，媒体播放器便关闭显示器，并进入待机或关机模式。
例如，具有ARM Cortex-A8内核的TI OMAP35x单芯片处理器器件便可实施关机模式—器件可自动唤醒的一种最低功耗模式。除唤醒域外，所有功耗域均处于关闭状态。这样，仅在唤醒域中有一定的功耗，并且所消耗电量来自于I/O漏电流。系统时钟被关闭的情况下，唤醒域以32kHz 独立运行。OMAP35x还会自动将信号发送给外部稳压器，随后稳压器在这种深度睡眠状态下被关闭。处理器中的存储器或逻辑电路并未被维持。在进入关机模式之前，系统状态被存入外部存储器中；一次唤醒后复位以后，微处理器单元(MPU)跳至用户定义功能，SDRAM控制器配置从暂时存储器中得到恢复。
通用技术
将前面所述电源管理技术结合起来使用，我们便能以一种最佳的方法来处理各种运行情况。当便携式多媒体播放器的系统活动级别较高时，例如：观看高分辨率视频等，则可以在VDD1上设置过度驱动OPP；对于要求中等水平功耗的网页浏览而言，此时可为VDD1和VDD2设置正常的OPP；听音乐的功耗要求相对较低，可为 VDD1 和VDD2设置最低的OPP。所有这些例子中，都可以激活AVS来降低“热”器件和“冷”器件之间的功耗差异。最后，如果用户保持媒体播放器开启闲置数小时或几天时间，则可以使用SLM来自动地将该设备转入关机模式。
为了更好地理解运用这些特性所带来的节能效果，请看下列几种情况。除特别注明外，下列例子均未使用TI的 AVS/SmartReflex 技术。在这些描述中，IVA是指影像、视频以及音频加速器或子系统。
第1种情况：关机模式—0. 590mW。这是一种最低功耗模式，TI的OMAP 3可从该模式中自动唤醒。在这种模式下，整个器件（唤醒域除外）均处于关闭状态，唤醒域以低于32kHz的频率运行。闲置稳压器被关闭(VDD1 = VDD2 = 0)，SDRAM自刷新，并且在唤醒时特定启动顺序会恢复SDRAM控制器和系统状态。
第2种情况：待机模式—7mW。这种器件状态下，唤醒域处于运行状态，而其他所有非唤醒功耗域则处于低功耗维持状态(VDD1 = VDD2 = 0.9V)。所有逻辑电路和存储器得以维持。AVS处于关闭状态。
第3种情况：音频解码—22mW（不包括DPLL和IO功耗）。尽管ARM以125MHz运行，但是在其进入睡眠模式后ARM仅允许DMA从多媒体卡读取输入数据。IVA对MP3帧（44.1kHz、128kbps立体声）进行解码，并将解码后的数据发送至位于SDRAM中的缓冲器。一个片上多通道缓存串行端口将数据发送给音频编解码器进行回放。至于系统配置，DSP以90MHz运行，并且在无需为处理提供循环(cycle)时转入低功耗状态以达到节能的目的。此时，VDD1 = 0.9V，而VDD2 = 1V。
第4种情况：音频/视频编码—540mW（不包括DPLL和IO功耗）。在这种情况下，采集音频并对其进行编码（48kHz的AACe+，32kbps立体声），采集视频并对其进行编码（20帧/秒的H.264 VGA分辨率，2.4Mbsp），并且对二者进行了存储。与此同时，视频被显示出来。这种配置中，ARM以500MHz运行，DSP以360MHz运行，VDD1=1.2V，而VDD2=1.15V。一个片上摄像头子系统也会对来自外部传感器的视频输入进行采集，多通道缓存串行端口对音频PCM输入进行采集，IVA对视频和音频进行编码，编码后的数据被存储至多媒体卡中，而显示子系统则对视频进行旋转处理，并将其发送至LCD和TV输出接口。
实施电源管理
为了实现电源管理的广泛灵活性，DSP处理器利用一个片上电源复位和时钟管理器(PRCM)。OMAP3530处理器将其功能块分为18个电源域，每一个域均有其自己的开关。PRCM可对所有电源域进行开关，但是它们中的许多仍然由用户来控制。另外，每一个电源域都可以被切换到四种状态的任何一种，具体取决于电力是否施加于逻辑电路和存储器，以及时钟是激活还是未激活：激活、未激活、维持或关闭。
这些状态要求和备用稳压器配合，而一些基于ARM和DSP的器件一般都需要这种稳压器。市场上许多稳压器都可以完成这一工作；当然，这些稳压器必须要满足处理器的电压、电流和电源转换速率等规范要求，同时还要能够满足上电/断电定序要求。为了实现DVFS和AVS在基于ARM和DSP的处理器上运行，相关的稳压器还必须要具有I2C可编程性。在关机模式下，电路必须能够利用自动发出的或由专用GPIO信号发出的I2C命令对VDD1和VDD2稳压器进行开关。第二种选项的唤醒时间更短一些，因为其没有I2C延迟。为了减轻设计工程师的负担，最好将这些独立功能的所有特性置于单个器件中，这样可以极大地减少组件数量（请参见图3）。
图3高级稳压器芯片整合了多个单独开关稳压器和低压降线性稳压器，可满足OMAP35x处理器处理各种电压域的要求。（转自：电源网）
有源电源管理
片上电源管理技术主要适用于两类应用：管理有源系统功耗和管理待机功耗。
有源电源管理分为三个部分：动态电压与频率缩放(DVFS)；自适应电压缩放(AVS)；以及动态电源转换(DPS)。另一方面，静态功耗管理包括在需要进行更多处理以前将空闲系统维持在一种低功耗状态。这种电源管理使用所谓的静态漏电管理(SLM)，其通常利用从待机到关机的数种低功耗模式。
让我们来看一下有源模式。利用DVFS，根据应用所要求的不同性能，时钟频率和电压在软件中得到了降低。例如，一款包括了先进RISC机器(ARM)和数字信号处理器(DSP)的应用处理器，即使ARM组件可以运行在高达600MHz的时钟频率下，但却并非总是需要所有这些计算能力。一般而言，软件会选择数个预定义处理器工作性能点(OPP)，其包括确保处理器能够运行在满足系统处理要求的最低频率下的电压。在对满足不同应用要求的功耗进行优化的过程中，为了获得更大的灵活性，人们为处理器中的互连和外设预定义了一个单独的器件内核OPP集。
与给定的OPP相对应，软件向外部稳压器发出控制信号来设置最低电压。例如，DVFS适用于两个电压源 VDD1（为DSP和ARM处理器供电）和VDD2（为子系统和外设之间的互连供电），同时这些电源轨提供芯片所需的大部分电量（一般约为全部所需电量的75%到80%）。通过将DSP处理器转入一个ARM可以高达125MHz时钟频率运行的低工作性能点完成对MP3解码的同时，还可以有许多剩余电力用于完成其他任务。为了获得具有理想功耗的这种功能性，我们可以把VDD1降至0.95V，而非保证600MHz运行的1.35V最高电压。
第二种有源电源管理技术即自适应电压缩放(AVS)基于芯片制造和器件工作寿命期间出现的各种变化。这种技术是相对于DVFS的，DVFS中所有处理器均具有相同的预编程OPP。正如人们认为的那样，在大多数现有制造工艺中规定频率要求的芯片性能符合一种充分定义的电源分配。相比许多“冷”器件，一些器件（即“热”器件）可以在较低的电压下达到规定频率。此时，AVS便可以发挥作用了—处理器检测其自有性能水平，并相应地调节各电压源。专用片上AVS硬件可实施一个反馈环路，其并不要求处理器介入，从而动态地优化电压电平来应对处理结果、温度和硅芯片性能降低中的变化（请参见图 1）。
图1显示了特定处理器的典型性能分布情况。其中，“冷”器件要求0.94V电压以实现125MHz的运行，而“热”器件则只需要0.83V就可实现相同频率的运行。自适应电压缩放(AVS)使用一个可相应调节电源电压的反馈环路，这样单个器件便可以完成特定处理任务所需的频率运行了。
运行中，软件为每一个OPP安排AVS硬件，同时控制算法通过一条I2C总线向外部稳压器发送命令，逐步递增降低相应稳压器的输出，直到该处理器刚好超出目标频率要求为止。
例如，开发人员可以在一个适合于所有情况的电压下并以0.95V的125MHz频率为目标开始进行设计（上面图1所示的V1）。但是，如果一个使用AVS的“热”器件被插入该系统，那么该片上反馈机制就会自动地将电压降至 ARM，即0.85V或更低（上面图1所示的V2）。
前两种有源电源管理方法可获得理想速度下运行器件局部所需的最低工作电压。相比之下，第三种方法动态电源转换(DPS) 可确定器件何时完成其当前计算任务，如果当前并不需要，则将器件切换到低功耗状态（请参见图2）。例如，在等待DMA传输完成时，处理器进入低功耗状态。唤醒时，处理器可以在数微秒时间内迅速返回到正常状态。
图2动态电源转换(DPS) 将完成任务后的特定器件的相应部分切换至低功耗状态。
无源电源管理
DPS只能将多媒体片上系统(SoC)的某一部分切换至低功耗状态，而在许多情况下将整个器件都切换至低功耗状态是颇具现实意义的（无论是无应用程序运行时自动切换，还是根据用户要求切换）。为了达到这一目标，我们可以运用了静态漏电管理(SLM)，其被用于启动待机或关机模式。一个关键的区别在于，在待机模式下该器件可维持内部存储器和逻辑电路的状态，而在关机模式下所有系统状态均被存入外部存储器中。利用SLM后，唤醒时间比冷启动要短得多，因为程序已经被加载到外部存储器，并且用户不必等待整个操作系统(OS)重新启动。媒体播放器可能会是运用SLM的一个例子：在没有处理任务也没有用户输入的状态下持续10秒钟后，媒体播放器便关闭显示器，并进入待机或关机模式。
例如，具有ARM Cortex-A8内核的TI OMAP35x单芯片处理器器件便可实施关机模式—器件可自动唤醒的一种最低功耗模式。除唤醒域外，所有功耗域均处于关闭状态。这样，仅在唤醒域中有一定的功耗，并且所消耗电量来自于I/O漏电流。系统时钟被关闭的情况下，唤醒域以32kHz 独立运行。OMAP35x还会自动将信号发送给外部稳压器，随后稳压器在这种深度睡眠状态下被关闭。处理器中的存储器或逻辑电路并未被维持。在进入关机模式之前，系统状态被存入外部存储器中；一次唤醒后复位以后，微处理器单元(MPU)跳至用户定义功能，SDRAM控制器配置从暂时存储器中得到恢复。
通用技术
将前面所述电源管理技术结合起来使用，我们便能以一种最佳的方法来处理各种运行情况。当便携式多媒体播放器的系统活动级别较高时，例如：观看高分辨率视频等，则可以在VDD1上设置过度驱动OPP；对于要求中等水平功耗的网页浏览而言，此时可为VDD1和VDD2设置正常的OPP；听音乐的功耗要求相对较低，可为 VDD1 和VDD2设置最低的OPP。所有这些例子中，都可以激活AVS来降低“热”器件和“冷”器件之间的功耗差异。最后，如果用户保持媒体播放器开启闲置数小时或几天时间，则可以使用SLM来自动地将该设备转入关机模式。
为了更好地理解运用这些特性所带来的节能效果，请看下列几种情况。除特别注明外，下列例子均未使用TI的 AVS/SmartReflex 技术。在这些描述中，IVA是指影像、视频以及音频加速器或子系统。
第1种情况：关机模式—0. 590mW。这是一种最低功耗模式，TI的OMAP 3可从该模式中自动唤醒。在这种模式下，整个器件（唤醒域除外）均处于关闭状态，唤醒域以低于32kHz的频率运行。闲置稳压器被关闭(VDD1 = VDD2 = 0)，SDRAM自刷新，并且在唤醒时特定启动顺序会恢复SDRAM控制器和系统状态。
第2种情况：待机模式—7mW。这种器件状态下，唤醒域处于运行状态，而其他所有非唤醒功耗域则处于低功耗维持状态(VDD1 = VDD2 = 0.9V)。所有逻辑电路和存储器得以维持。AVS处于关闭状态。
第3种情况：音频解码—22mW（不包括DPLL和IO功耗）。尽管ARM以125MHz运行，但是在其进入睡眠模式后ARM仅允许DMA从多媒体卡读取输入数据。IVA对MP3帧（44.1kHz、128kbps立体声）进行解码，并将解码后的数据发送至位于SDRAM中的缓冲器。一个片上多通道缓存串行端口将数据发送给音频编解码器进行回放。至于系统配置，DSP以90MHz运行，并且在无需为处理提供循环(cycle)时转入低功耗状态以达到节能的目的。此时，VDD1 = 0.9V，而VDD2 = 1V。
第4种情况：音频/视频编码—540mW（不包括DPLL和IO功耗）。在这种情况下，采集音频并对其进行编码（48kHz的AACe+，32kbps立体声），采集视频并对其进行编码（20帧/秒的H.264 VGA分辨率，2.4Mbsp），并且对二者进行了存储。与此同时，视频被显示出来。这种配置中，ARM以500MHz运行，DSP以360MHz运行，VDD1=1.2V，而VDD2=1.15V。一个片上摄像头子系统也会对来自外部传感器的视频输入进行采集，多通道缓存串行端口对音频PCM输入进行采集，IVA对视频和音频进行编码，编码后的数据被存储至多媒体卡中，而显示子系统则对视频进行旋转处理，并将其发送至LCD和TV输出接口。
实施电源管理
为了实现电源管理的广泛灵活性，DSP处理器利用一个片上电源复位和时钟管理器(PRCM)。OMAP3530处理器将其功能块分为18个电源域，每一个域均有其自己的开关。PRCM可对所有电源域进行开关，但是它们中的许多仍然由用户来控制。另外，每一个电源域都可以被切换到四种状态的任何一种，具体取决于电力是否施加于逻辑电路和存储器，以及时钟是激活还是未激活：激活、未激活、维持或关闭。
这些状态要求和备用稳压器配合，而一些基于ARM和DSP的器件一般都需要这种稳压器。市场上许多稳压器都可以完成这一工作；当然，这些稳压器必须要满足处理器的电压、电流和电源转换速率等规范要求，同时还要能够满足上电/断电定序要求。为了实现DVFS和AVS在基于ARM和DSP的处理器上运行，相关的稳压器还必须要具有I2C可编程性。在关机模式下，电路必须能够利用自动发出的或由专用GPIO信号发出的I2C命令对VDD1和VDD2稳压器进行开关。第二种选项的唤醒时间更短一些，因为其没有I2C延迟。为了减轻设计工程师的负担，最好将这些独立功能的所有特性置于单个器件中，这样可以极大地减少组件数量（请参见图3）。
图3高级稳压器芯片整合了多个单独开关稳压器和低压降线性稳压器，可满足OMAP35x处理器处理各种电压域的要求。（转自：电源网）
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