消費(fèi)者對采用多媒體嵌入式處理器產(chǎn)品的需求迅速增長，這既要求提高性能又要求降低功耗。但是高性能處理必須增加計(jì)算復(fù)雜度并加快時(shí)鐘速率，如果采用權(quán)宜之計(jì)的節(jié)省功耗設(shè)計(jì)方案，是很難實(shí)現(xiàn)的。我們需要的是一種具有戰(zhàn)略意義的方法來管理功耗，以便在具體的嵌入式應(yīng)用中優(yōu)化性能與功耗的關(guān)系。利用Blackfin數(shù)字信號處理器（DSP）系列產(chǎn)品固有的動(dòng)態(tài)電源管理能力，可以實(shí)現(xiàn)這樣的方法。

　　Blackfin DSP是定點(diǎn)、雙16位MAC或雙40位ALU數(shù)字信號處理器。它們非常適合于對功耗敏感的多媒體應(yīng)用，因?yàn)樗鼈冎С忠环N多級的電源管理方法，可以根據(jù)系統(tǒng)的需求調(diào)整性能。下面我們先來看看嵌入式系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵的功耗問題考慮，再看看Blackfin處理器系列如何采樣動(dòng)態(tài)電源管理功能來解決這些問題。

　　1. 改變頻率和電壓

　　現(xiàn)代DSP通常適合用于采用CMOS 場效應(yīng)管（FET）開關(guān)的一種處理過程，在穩(wěn)定的狀態(tài)期間要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)斷（漏電流除外）。靜態(tài)功耗（處理器空閑時(shí)的靜態(tài)功耗）通常要比動(dòng)態(tài)功耗低得多，動(dòng)態(tài)功耗是當(dāng)器件頻繁地開關(guān)并且電壓擺動(dòng)時(shí)由于FET負(fù)載電容以極高的開關(guān)頻率充放電引起的。

　　在

器件的等效負(fù)載電容中存儲的電荷量（Q）等于電容乘以其兩端所存儲的電壓（也就是DSP的內(nèi)核電源電壓，V_core），
　　　　　　Q = CV_core，

　　因?yàn)榻o此電容充電的器件電流定義為電荷對時(shí)間的變化率，即動(dòng)態(tài)電流（I_dyn），由下式給出
　　　　　　I_dyn ＝ dQ/dt ＝ C（dV_core/dt）

　　電容器電壓隨時(shí)間的變化率dV_core/dt是電容充電速度或放電速度的一種度量。對于給定的時(shí)鐘頻率（F），因?yàn)樽羁焱瓿梢淮纬潆娀蚍烹姂?yīng)發(fā)生在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)。因此
　　　　　　dV_core/dt = V_core(F)
　　　　　　I_dyn = C(dV_core/dt) = CV_coreF

　　最后，動(dòng)態(tài)功耗與V_core×I_dyn成正比，或者
　　　　　　P_dyn ∝ CV_core²F

　　因此很顯然，動(dòng)態(tài)功耗與工作電壓的平方成正比，與工作頻率成正比。所以，如果降低F可以線性地降低動(dòng)態(tài)功耗，而降低V_core可以呈指數(shù)地降低功耗。

　　考慮圖1中的應(yīng)用組合了三種不同的DSP功能，所以它們具有完全不同的性能需求：
　　　　　　F0(x) 1.5 V 300 MHz
　　　　　　F1(y) 1.0 V 100 MHz
　　　　　　F2(z) 1.3 V 225 MHz

　　例如，F(xiàn)0(x)可能是一種視頻處理算法，F(xiàn)1(y)可能是某種監(jiān)視模式（其中DSP采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行很少的處理），而F2(z)可能是將壓縮視頻流送出串行端口的過程。

　　當(dāng)DSP長時(shí)間處于監(jiān)視活動(dòng)中時(shí)，僅僅改變頻率（不改變電壓）對功耗敏感的應(yīng)用中是很有用的。也就是說，如果DSP正在等待一個(gè)外部觸發(fā)，它就不需要以最高頻率運(yùn)行。

　　但是，在某些電池供電應(yīng)用中，簡單地改變頻率對于節(jié)省功耗可能還不夠。例如，如果某應(yīng)用運(yùn)行了三部分的代碼，降低其中任何一部分的工作頻率都意味著這部分代碼會花更長的時(shí)間去運(yùn)行。但是如果DSP運(yùn)行時(shí)間加長的話，當(dāng)三部分代碼都完成時(shí)，消耗的總功率是一樣的。例如，如果頻率降低二分之一，代碼會執(zhí)行兩倍長的時(shí)間，所以就不能節(jié)省凈功耗。

　　另一方面，通過降低電壓和頻率可以節(jié)省相當(dāng)大的功耗。節(jié)省的功耗可以用下式來表征：
　　　　　　P_R/P_N=(F_CR/F_CN)(V_DDR/V_DDN)²(T_FR/T_FN)

　　其中：
　　* P_R/P_N表示降低功耗與標(biāo)稱功耗的比率
　　* F_CN表示標(biāo)稱內(nèi)核的時(shí)鐘頻率
　　* F_CR表示降低內(nèi)核的時(shí)鐘頻率
　　* V_DDN表示標(biāo)稱內(nèi)部電源電壓
　　* V_DDR表示降低內(nèi)部電源電壓
　　* T_FR/表示以F_CR頻率運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間
　　* T_FN表示以F_CN頻率運(yùn)行的持續(xù)時(shí)間

　　例如，圖2示出了具有如下特性的一種情況：
　　* F_CN = 300 MHz
　　* F_CR = 100 MHz
　　* V_DDN = 1.5 V
　　* V_DDR = 1.0 V
　　* T_FR = 3
　　* T_FN = 1

　　因此
　　(P_R/P_N) = (100/300)(1.0/1.5)² ×(3/1) = 0.44（功耗節(jié)省了56%）

　　G1和G2是在DSP上運(yùn)行的函數(shù)。

　　例2用了雙倍運(yùn)行時(shí)間，但是節(jié)省了功耗56％。

　　兩例中的G1工作條件相同，但是G2的工作電壓分別為1V和1.5V，因此功耗下降比率為 (1.0/1.5)²。

　　因?yàn)锽lackfin DSP不僅具有可設(shè)置的工作頻率，而且允許內(nèi)核電壓根據(jù)頻率變化而變化，所以以降低的頻率和降低的電壓運(yùn)行某一部分代碼時(shí)可以節(jié)省功耗，即使執(zhí)行時(shí)間會變長。在ADSP-21532上可以自動(dòng)進(jìn)行電 壓頻率的轉(zhuǎn)變，而對于ADSP-21535,需要遵循一種簡單的順序。當(dāng)然，重要的是記住，開發(fā)商必需保證在任何系統(tǒng)時(shí)鐘改變期間與外部系統(tǒng)連接的外圍通道的完整性。

　　一個(gè)視頻電話應(yīng)用示出了如何通過改變工作頻率和工作電壓來顯著延長電池壽命的能力。例如，如果僅僅在視頻連接期間需要最高性能（最大內(nèi)核時(shí)鐘頻率），那么在使用電話僅用于語音處理的時(shí)候可以將內(nèi)核頻率降低到某個(gè)預(yù)先設(shè)定值。對于僅注重附加功能而對時(shí)間不敏感的操作（例如，個(gè)人管理器），可以進(jìn)一步降低頻率。在Blackfin DSP上每一次改變PLL頻率都在40ms內(nèi)完成。

　　Blackfin 時(shí)鐘產(chǎn)生單元

　　時(shí)鐘產(chǎn)生單元包括鎖相環(huán)路（PLL）和相關(guān)的控制電路，是Blackfin DSP中動(dòng)態(tài)電源管理的一個(gè)完整單元。其中的PLL是高度可編程的，從而允許用戶動(dòng)態(tài)地控制處理器的特性和功耗。

　　圖3示出ADSP-21532時(shí)鐘產(chǎn)生單元的簡單框圖。輸入晶體或振蕩器信號（10MHz~33MHz）施加到CLKIN引腳。用一個(gè)可選的1倍~31倍倍頻器作用這個(gè)信號以便產(chǎn)生VCO頻率。然后，獨(dú)立的A驅(qū)動(dòng)器和B驅(qū)動(dòng)器各自產(chǎn)生內(nèi)核時(shí)鐘（CCLK）和系統(tǒng)或

外圍設(shè)備時(shí)鐘（SCLK）頻率?？刂七壿嫳ＷC系統(tǒng)時(shí)鐘頻率不會超過內(nèi)核時(shí)鐘頻率。

　　采用本方法的最大優(yōu)勢在于CCLK和SCLK在工作期間可以改變，幾乎沒有什么時(shí)間周期開銷。因此，設(shè)計(jì)工程師無需兩次考慮改變時(shí)鐘頻率以便滿足其代碼不同部分的不同性能需求。從設(shè)計(jì)工程師的角度來看，結(jié)果可以線性地節(jié)省動(dòng)態(tài)功耗，不會增加任何實(shí)現(xiàn)上的成本。

　　時(shí)鐘產(chǎn)生單元的另一個(gè)特點(diǎn)就是它可以被旁路以便允許CLKIN信號直接連接到CCLK。這種能力允許在不頻繁地工作期間采用很低頻率的CCLK，以便進(jìn)一步降低總功耗。

　　2. 靈活的電源管理模式

　　許多應(yīng)用都包含一組工作模式，其顯著區(qū)別在于不同的處理需求?？紤]圖4所示的系統(tǒng)，其中電池供電的傳感器包含一個(gè)DSP，用作中央處理器。DSP的其中某個(gè)外圍設(shè)備可能用于采樣周圍環(huán)境的參數(shù)。在這種需要極低處理功耗的模式A中，該DSP可能只是讀取零星的遙測數(shù)據(jù)分組。當(dāng)它已經(jīng)讀取了足夠的數(shù)據(jù)可以調(diào)用某種計(jì)算的算法時(shí)，該DSP隨后就進(jìn)入模式B——需要大量處理的計(jì)算模式。還有可能同時(shí)存在模式C，以便在沒有傳感器信號和不需要處理時(shí)提供超低功耗。