嵌入式系统功耗的动态管理

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嵌入式系统功耗的动态管理

引言
　　低功耗是嵌入式处理器的一个重要特性，它对终端设备的成本及体积大小具有显著影响。在整个系统设计中，尽管处理器并不是功耗最多的部件，但是为了减少系统整体功耗，对处理器功耗的管理是很有必要的。
　　长久以来，嵌入式系统的低功耗特性主要通过广泛应用空闲和睡眠模式实现。现在，嵌入式系统需要处理更加精密复杂的工作，而且还要维持较高的性能水平。在新型应用中，例如视频和音频的回放功能同样需要相当长的运行时间，这样，运行时间与空闲时间的比例显著加大。而传统的电源管理技术只是在空闲时间内减低功耗十分有效，在运行时间内却无能为力。
　　此外，在效率方面，电源管理芯片厂商主要致力于电量传送方面的管理。嵌入式处理器供应商规范了输入/输出电量需求，电源半导体厂商竞相开发可以高效率传送电量的电源芯片。现在电源管理芯片的效率已经很高了，例如开关调节器运行效率已经可以达到95%。但是在现今市场中，电源芯片厂商必须一方面继续提高电源芯片效率，另一方面还要使芯片价格具有竞争优势。展望当今移动电话市场趋势，可以证实传统技术已不适合进一步提高该产业高速发展的效率。
　　在使用寿命方面，尽管现在电池技术有了很大的发展，使得电池的寿命延长，体积减小，但是新一代产品要求电源功率迅速增加，电池技术的发展并不能跟上新一代产品设计需求的步伐。这样，在新产品设计中，传统的电源管理技术也无法满足终端用户对电池寿命的要求。
　　工艺技术的发展为芯片电源功耗的减少起到一定的作用。如今，CMOS工艺晶体管的静态功耗已微不足道。但是为了获得高速度和高集成度特性，芯片的工艺尺寸就要成几何级数减小，这样会使芯片的静态(漏)功耗有所增加。例如，采用0.13mm工艺时，芯片的静态功耗大约占总功率的15~20％。当工艺技术提高到100nm以下时，静态功耗将成指数倍数增加，并将成为处理器芯片功耗的主要部分。
　　根据工作负载的不同，处理器运行在不同的性能水平上是协调高性能与低功耗的一个有效方法。例如，MPEG播放器的性能要比MP3播放器高出一个等级，那么处理器可以用较低的工作频率运行MP3播放器，同时又可以保证MP3高品质精确回放的性能。在时钟频率较低时，如果处理器的工作电压也随之降低，系统的功耗就会减小，从而节省了电源能量。
　　动态电压比例(DVS)表明，CMOS工艺处理器的最大工作频率正比于供电电压。基于对ARM926EJ-S处理器内核(0.18mm工艺)的测试，可得出其频率与电压的关系，如图1所示。从图中可以看出在90MHz处，曲线有转折，在此之前电压基本保持不变。
　　对于一个CMOS电路，有下面近似功率方程：
　　P = CVDD2fc+VDDIQ
其中：P：在供电电压VDD下的功耗
CVDD2fC：动态功耗(C为电容值，fC为频率值)，VDDIQ：静态功耗(IQ为漏电流)
　　很显然，对于一个确定的负载(频率)，芯片的动态功耗正比于供电电压的平方值。
　　在降低处理器的时钟频率时，如果供电电压也能随之降低，就可以使电源功耗成平方关系减小，从而增加系统的运行时间。因为在每个充电周期内，电池储存的电量是有限的，所以这种电量保存技术是延长电池使用周期行之有效的方法。图2表明，当频率与电压从最大值回溯时，功耗相应降低。由于工作电压降低到门限阀值电压以下，芯片就不能工作。因此当电压降到门限值时，无法通过降低工作频率来减小功耗。可见，频率的调节是有范围的，只有在这个范围内时，电压的调节才能够影响电源的功耗(本例大约在90~170MHz)。
　　压频协调控制
　　图3为采用动态电压比例控制技术(DVS)和传统节能技术两种方案时，系统的总功耗比较图。显而易见，动态电压控制技术的应用明显降低了系统功耗。
　　处理器执行任务往往运行太快，实际上并不需要这么高的性能水平。例如，如果需要在1s间隔内播放完30帧的视频数据，那么软件在0.5s内完成30帧数据解码就毫无必要，在1s时限之前完成任务就是无效地消耗能量，增加了功耗。
　　智能软件的重要特点是在降低处理器的性能指标的同时，还要能够满足软件的最低时限要求。因此，该软件必须包括“性能－设定”算法，以确定最优运行工作点，并采用如DVS技术来实现。
　　高级电压控制的必要性
　　现有的DVS系统采用开环控制技术。此时，CPU在特定的时钟频率和电压下工作，考虑到温度、电源供给、装配等变化因素，因此必须留出一定的安全裕度。
　　嵌入式处理器要求在温度大范围变化和硅工艺变化时也能够可靠工作。但是，处理器可靠运行的安全裕度的增加是以电源效率为代价的。当供电电压为1.2V或者更低，安全裕度需要大大增加，以使它在温度变化和硅晶片工艺变化时还能可靠运行。CMOS工艺芯片随着温度的升高，工作速度变慢，即使在室温的工作条件下，供电电压的安全裕度也必须考虑温度变化的影响。工艺变化包括冲模、晶片、晶块及铸造等变化，为了保证产品的高产出，工作保护频带要很宽，这对总功耗具有显著的影响。
　　如何构建能够在各种条件下满足系统性能要求的电压/频率工作表已有许多描述。首先建立压/频工作表，然后把压/频工作表固化至芯片内。在实际操作中，基于SoC的传统软件驱动程序完成自身硬件接口的配置，并设定期望的电压值。在时钟频率变化之前，软件必须通过定时器或者其他方法确保电压稳定。
　　自适应电压调节(AVS)是一种闭环控制技术，它对DVS方案进行了明显的改进。AVS技术通过对工艺和温度的变化进行内在补偿来简化电压调节，减少了对电压/频率表的依赖。这种技术的实现需要使用硬件性能监视器，它集成在嵌入式处理器上，接收来自性能设定算法不断变化的性能指标给定。这些监视器能够正确地监控工艺和温度变化，并通过标准接口将信息传递给外部能量管理单元(EMU)。
　　ARM-美国国家半导体的能量管理方案
　　ARM公司的智能能量管理(IEM)方案的核心是智能能量管理软件。在运行应用软件时，IEM软件连接到应用软件底层的操作系统上，并使用来自操作系统内部结构的主要参数。IEM软件用大量成熟算法评估不同类型软件的运行状况，并对其性能水平进行预测。然后使用评估堆栈，综合分析各个软件性能预测结果，确定全局性能预测值。
　　堆栈的操作如图4所示。每个评估算法提供一个软件性能预测值作为性能指标(Perf.)。综合考虑各个预测值得出每个预测值当前加权系数：如果权数低就忽略(IGNORE)预测值，权数高就可以设定(SET)预测值。在堆栈中权数最大用SET_IFGT表示，这样，对于系统内的特定软件事件，可以从栈底至栈顶逐次评估出各项预测，从而推导出全局性能预测。
　　IEM软件工作的硬件平台称为智能能量控制器(IEC)。它是APB的外围器件，易于集成在基于AMBA规范的SoC设计中。通过使用精确的计数器和定时器，IEC可以测量出系统当前的工作性能水平并将其反馈至IEM软件，以确保在降低处理器性能水平时，不超出软件的工作时限。同时它也能够卸载许多相关设备，从而减少处理器IEM的软件负荷。
　　IEC部件也是硬件性能调节的核心部件。从软件角度而言，当工作负载变化，新的性能指标输入到IEC，此时性能预测值将被修正，这个性能指标是IEC从软件里得到的。在工作负载变化的情况下，ARM公司的IEM软件利用性能水平设置算法能够使系统功耗最低。美国国家半导体公司的PowerWise技术则是在环境状况和工艺发生变化时，通过调整运行参数确保处理器不会在最差情况下工作。
　　美国国家半导体公司用于自适应控制或动态电压调节的PowerWise技术核心—自适应电量控制器(APC)包含硬件性能监控器，能够准确地监控处理器功耗，并且可以追踪温度和设备工艺变化。APC还能够通过被称作PWI的两线双向总线与片外的EMU通信。
　　图5是综合采用ARM公司的IEM和IEC组件与美国国家半导体的APC和EMU组件完成的终端解决方案。由IEM软件预测的全局性能指标通过IEC硬件层传送到APC，APC在当前运行状况下自动地调节供电电压，以满足特定的性能需求。
　　在设计阶段，IEC可配制成时钟管理单元和APC部件之间的接口。其中，时钟管理单元负责给处理器传送所需的时钟频率，APC负责管理片外的EMU，使其能够为处理器内核传递所需要的最低电压。在此电压下，即使工艺和温度在最差条件下，处理器也能够满足性能要求。IEC部件协调管理时钟频率和电压的变化，以保证长时间有效的协调工作和不同性能指标的平稳过渡。平稳过渡过程还要在时钟发生单元和外部EMU的限制下尽快完成。
　　能量节约最大化
　　ARM IEM能够使嵌入式处理器功耗降低75%。PowerWise技术可以减少芯片的安全裕度，而且在室温条件下与开环电压控制方案相比，AVS技术节省了约45%的能量。建模和芯片测试都表明，在手机和PDA产品中，结合使用IEM 和 PowerWise技术可以减少功耗30％，这为制造商延长电池使用寿命，减少产品体积以及降低成本带来了好处。
　　未来趋势
   90nm和70nm工艺技术的应用为电源管理技术提供了新的机遇。随着动态和静态功耗部件的漏电流快速增加，先进的性能调节技术变得更加有意义。比如有许多方案采用了动态调节和自适应调节技术。由于硬件的独立特性，IEM、IEC以及APC都可在电源管理技术中得到应用。由于IEM和PowerWise技术的应用，他们在一个SoC内控制其他设备的作用是可想而知的。例如他们可以监控存储控制器和图形加速器，使其达到相当的性能水平，并且也能够控制功耗，使得系统能量可以大大节省。ARM公司和美国国家半导体公司正致力于IEM和PowerWise技术进一步完善的工作。

李小路

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