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量身订制的DSP元件设计方案

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许多嵌入式处理器都声称它们的功耗最低。可是事实上没有一颗元件能在一切的运用中坚持最低功耗,由于低功耗的界说与运用环境习习相关,合适某种运用的晶片规划很或许会给另一种运用带来难题。可携式运用八成是依据电池寿数来界说低功耗,这类运用的功用恰当广泛,操作形式也千变万化。电信体系元件若要满意运用电源需求,就有必要在功率预算规模内处理所要求的通道数目,一起透过封装和电路板将功耗散逸,以保证元件坚持在额外温度规模内;别的,这些基础设施运用也很注重最大负载条件下的功耗。因而,为了到达功耗要求,DSP供给商会针对方针运用挑选最合适的元件制程、电路规划、电压和频率操作点以及全体架构。

省电技能
  
DSP供给商有许多技能能够用来下降功耗,而且到达效能方针,包括:
  ●挑选恰当制程;
  ●电晶体规划技能;
  ●挑选正确的操作频率和电压;
  ●挑选正确的架构,包括整合度、记忆体架构和运算处理单元;
  ●採用散热功率很高的封装,保证元件坚持在特定操作温度规模内。

功耗来历
  
不管运用为何,元件功耗都包括下面几种来历:
 
漏电功耗(leakage power)
 
元件的漏电功耗为固定值,不受处理器动作或操作频率影响,但会跟着制程、操作电压和温度而改动。低精密度(low geometry)制程的漏电功耗八成会跟着电压和温度而呈指数添加。

时脉功耗(clocking power)
  
元件的时脉功耗与时脉频率成正比。高整合度元件的晶片面积八成用于记忆体或暂存器等同步组件,假如时脉架构规划不良,那么不管元件实践作业量多寡,其功耗都会坚持不变。

操作功耗(active power)
  
与元件其时所履行的实践体系功用有关。
  
除了上述来历之外,元件功耗还会遭到两大要素影响:

元件电流
  
元件电流越高,电池电力的耗费速度就越快,有时还会超出功率预算规模而导致供给电压下降,使元件脱离正常操作区而形成过错。

元件/体系温度升高
  
元件若无法有用散热,其温度就或许超出额外规模而形成操作过错。
  
下列最佳化技能会以不同办法处理前述各种功耗问题。

挑选恰当制程
  
为了使不同运用的效能和功耗到达最佳化,德州仪器(TI)能供给各种制程类型,例如TI的130奈米低漏电制程在1.5V操作时简直没有漏电流,关于DSP八成处于搁置状况的可携式运用而言,这种低漏电制程就能协助它们节约功耗。另一种高效能制程的漏电流较大,却能在1.2V下操作,採用该制程的元件能够到达低漏电制程的两倍MHz效能。在较注重最大操作功耗(fully-active power)的基础设施运用里,这种高效能制程的竞争力还胜过低漏电制程,原因有两点:首要,低漏电运算处理单元的操作频率只要高效能制程的一半,这表明其数量有必要加倍才干供给相同效能,但这会导致元件本钱进步。其次,由于功耗与电压平方成正比,故在其他条件相同的景象下,高效能制程的操作功耗只要低漏电制程的(1.2V/1.5V)2或是64%。由于低操作功耗关于基础设施运用的重要性一般会超过低漏电功耗,因而高效能制程就成为这类运用的最佳挑选。

电晶体规划
  
相同制程的电晶体也能够有不同的开关临界电压(VT),例如低VT电晶体的切换速度较快,高VT电晶体的漏电流则较小,晶片只需在会影响速度的部份运用低VT电晶体,其它电路则採用高VT电晶体以节约电力。规划人员的元件资料库应包括高VT和低VT电晶体所构成的根本逻辑闸(NAND、NOR和INVERT等),他们有时还会运用中心临界电压(middle-VT)的电晶体。一般说来,除非为了满意重要的效能要求,不然应尽量运用高VT电晶体组成的逻辑闸。
  元件操作点:电压和频率
  数种元件时脉供给办法能够节约功耗:
  ●多时脉域(multiple clock domain);
  ●动态频率调整(dynamic frequency scaling);
  ●时脉闸控(clock gating)。
  除了时脉,调整电压也能下降功耗:
  ●静态电压调整;
  ●动态电压/频率调整;
  ●多电压域(multiple voltage domain)。

多时脉域
  
时脉域是元件中运用同一个时脉频率的部份。将晶片电路分红多个时脉域能够让每个部份以最恰当的速度操作,从而节约电力。例如高效能DSP或许需求以1GHz操作,但衔接至立体声编码解码器界面的串列埠却只需12MHz的速度。尽管多时脉域规划还需求同步电路和桥接电路让信号跨过不同的时脉域,其能大幅下降全体功耗。

频率调整
  
元件的某些时脉域在不一起间或许会有不同的操作需求,例如处理器若在某段时刻只要10%的运算需求,那么将时脉频率减为往常的1/10就能大幅下降时脉功耗。动态时脉调整电路的规划有必要十分当心,以保证同步逻辑电路收到安稳而不会跳动的最小负载週期时脉。频率调整关于运用电池的运用最有协助。
时脉闸控
  
时脉闸控会堵截搁置电路的时脉,其间又以睡觉形式的做法最简略,它让运用者运用软体关掉晶片部份电路。其它技能则主动将元件某些部份的时脉关掉,直到有需求时再发动,例如乙太网路的媒体存取控制器(MAC)往常可处于睡觉形式,比及它侦测到网路后才开端作业。时脉闸控也和频率调整相同合适一切运用电池的运用。

静态电压调整
  
若运用的效能需求较低,元件也可在较低电压下操作。举例来说,若DSP是在1.2V电压下以720 MHz速率作业,它也能运用1.1V电压并以600MHz频率操作。由于功耗与电压平方成正比,在1.1V电压下以600MHz速率操作的功耗只要720MHz功耗的(1.1V/1.2V)2,大约是84%左右。别的,操作功耗也会由于时脉频率下降而削减两成。

动态电压/频率调整
  
这种技能让电压跟着频率而削减以进一步节约功耗。频率的切换相同有必要十分当心,元件应先将时脉堵截,然后才改动操作电压。动态电压

/频率调整技能十分合适可携式运用。

电压域
  
多域的观念相同适用于电压,规划人员能够依据效能需求将晶片分红多个部份,而每个部份运用不同的电压。由于不同的电压域有必要以阻隔电路分隔,维护它们不受其它电压域的危害,因而这种技能用于规划时有必要恰当慎重。它们还有必要供给转化电路,用来转化跨过不同电压域的信号。多电压域需求多组电源,但是晶片内建稳压器的功率一般都比不上电路板层级的电源供给器,因而这类规划八成需求由电路板供给多组电源,这正是多电压域技能的缺陷之一:由于电路板需求添加多个电源层,使得规划杂乱性大幅提高。

电源闸控(power supply gating)
  
电源闸控又比时脉闸控技能更进一步,它会直接堵截晶片搁置电路的电源。由于这种技能更杂乱,又需求阻隔电路,因而一般会用于比时脉闸控技能(以单个电路为单位)还大的规模(八成以模组为单位)。这种技能和多电压域技能也有所不同,其阻隔电路会内建于晶片,防止添加电路板规划的杂乱性。

操作点技能的运用规模
  
上述技能是否有用,端赖运用者是依据电池寿数或最大功耗来评断运用体系的好坏。某些技能简直对一切运用都有协助,例如多时脉域和多电压域技能只需用届时脉频率和电压,所以任何运用体系都能够採用这两种技能。域的数目只会遭到这些技能所带来的规划杂乱性约束,多电压域还或许遭到电路板杂乱性的影响。相同地,大都元件的电路并非都是在最大负载条件下操作,因而时脉闸控技能(特别採用主动控制办法的技能)在许多运用都能发挥效果。静态电压调整对一切运用都有优点,由于元件只会在供给所需效能的必要电压下操作。
  
运用体系若以电池为电源,并供给多种操作形式,那么频率调整和动态电压/频率调整技能就能发挥最大效果;另一方面,这些办法关于注重最大功耗的运用却没有太大用途。除此之外,电源闸控关于这些类似于基础设施的运用或许也没有协助,由于这类运用的元件很少会有大片电路处于搁置状况。

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