BLACKfinTMDSP体系结构：能实现带电源管理功能的多样性应用

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     引言

嵌入式系统应用一般可分为两类：一类主要是数字信号处理器(DSP)强大的数值计算功能的应用，其应用实例是V.90语音频段调制解调器的数据泵器件应用中嵌入的增强型DSP；另一类则是控制方面的应用，其应用实例是手持式计算机或数字手表。
人们对这两类不同的应用系统通常采用的设计方法是，根据应用情况选用DSP处理器或微控制器(MCU)。DSP 处理器可为数值计算提供更强大的运算能力；而MCU通常易于编程并且能提供多种片内外围器件，以便使每一种MCU更加适合其相应的应用需求。另外，这些 MCU各自的指令集都与其相应的应用匹配。
尽管基于DSP与MCU这两类器件的系统都有各自的用途，然而很多的应用系统我们无法将其简单地归并其中的任何一类。实际上，从某种程度上说，现在很多新兴的嵌入式应用，尤其是那些大型的复杂系统，它们既有DSP又有MCU。蜂窝电话就是这方面的一个例子。蜂窝电话的大工作量通常需要一个大容量 DSP器件来完成基带信道和语音编码器的处理工作。同时，蜂窝电话还应具备面向控制应用的一些特性，因为它要对用户接口的很多方面以及通信协议堆栈进行管理。将来，对这种复杂的应用系统管理的工作量可能有增加的趋势，可能不会再明确地区分DSP应用还是MCU应用。
一种具有在单一平台上同时支持上述两种工作任务的设计能力的新产品现在已经面世，源于这种体系结构的新产品是ADI推出的Blackfintm DSP系列，这种新产品的特性之一是具有动态电源管理功能。本文将介绍该产品的性能、特点和优势等方面的有关内容。
该体系的内核是基于一个双乘法累加器(MAC)的改进型哈佛结构。相对于单MAC内核而言，这种双MAC内核可在一个时钟周期内完成两个算术运算操作，因此它能提高DSP工作的总体性能。哈佛结构可支持数据的加载、存储操作，同时支持取指令代码操作。这种一流的双MAC DSP引擎的优势是：具有一个巧妙、正交的类似精简指令集(RISC)微处理器的指令集，并且将单指令多数据 (SIMD)和多媒体操作引入单指令集结构。除了该器件兼具DSP和MCU的功能外，它的内核在设计上增强了视频性能和多媒体运算功能。这种体系结构简化了新兴的3G蜂窝技术应用的硬件和软件设计，同时还具有低功耗的性能。
该体系结构在片内集成了一套丰富的、业界领先的系统外围电路和存储器。它将为下一代应用提供这样一种可选择的平台，即在一块集成的DSP芯片上同时实现了RISC精简指令那样的易编程性、多媒体功能、电源管理功能和先进的信号处理功能等。
便携式低功耗体系结构
与其它的DSP产品相比，此项技术提供了世界领先的低功耗和高性能水平。本设计采用了低功耗和低电压设计方法，并且具有动态功耗管理的特性。它可以改变工作电压和工作频率，大大减少了总体系统的功耗。与仅改变工作频率相比，同时改变工作电压和频率可降低3倍的功耗，因此能延长便携式设备中电池的工作寿命。
低功耗工作方式
这种新的DSP技术有四种低功耗工作方式。当该处理器适应降低性能的工作需求时，可大大降低功耗。另外，该电源管理控制器还对附着的电源稳压器提供控制功能，从而可动态地改变处理器内核的工作电压，显著地降低功耗。它还对每一个新DSP的外围电路件提供定时时钟的关断控制，以进一步降低功耗。表1列出了每一种工作方式的电源设置。
全速工作方式—提供最高性能
在全速工作方式下，锁相环(PLL)被启动，并且不被旁路，它为系统提供最大的工作频率。这是正常的工作状态，在此状态下可获得最高的工作性能；此时，处理器内核及所有被启动的外围电路均以全速运行。
活动工作方式—低度节省功耗
在活动工作方式下，PLL被启动，但是被旁路，输入时钟直接用来产生处理器内核及外围电路所需要的时钟。由于输入时钟未经过PLL，所以大大节省了功耗。在切换回到全速方式之前，根据选择增强性能方式或降低功耗方式的要求，利用软件向PLL控制寄存器写入适当的控制字动态地改变PLL的倍频比率。
松弛工作方式—中度节省功耗
在松弛工作方式下，PLL不但被旁路，还被禁止，因而可降低功耗。像活动工作方式一样，直接用输入时钟来产生处理器内核和外围电路所需要的时钟。同理，由于处理器仅以输入时钟频率工作，所以可明显地节省功耗；又由于PLL被禁止，还可以进一步地节省功耗。
休眠工作方式—高度节省功耗
休眠方式停止对处理器内核提供时钟，因而降低了功耗。然而，在这种方式下系统时钟仍继续工作。任何中断，尤其是通过外部事件或实时时钟(RTC)的动作产生的中断都会唤醒休眠方式。在该方式下，该内核处理器实际上已停止工作，而系统所有的外围电路仍然继续工作。如果处理器内核没有时钟输入，显然会大大节省功耗。
深休眠工作方式—最大节省功耗
深休眠方式停止对处理器内核和所有的同步系统提供时钟，因而最大限度地节省了功耗。然而，在这种方式下异步系统，例如RTC仍继续工作，但对处理器资源的访问受到了限制。在这种待机方式下，只能通过复位中断方式或由RTC产生的中断方式才能退出。
动态电源管理
该技术产品支持如下5种不同的电源区域：内部逻辑电路(PLL 和 RTC除外)、PLL、RTC、PCI I/O口、其它 I/O口。
由于采用多种电源区域，所以它能在符合工业标准和协议的同时具有最大的应用灵活性。它将DSP技术中的内部逻辑电路分隔成各自的电源区域，使PLL、 RTC、PCI接口以及其它I/O口互相隔离开来，从而在不影响PLL、RTC、PCI接口以及其它I/O口设备的情况下利用其动态电源管理功能。
一个处理器的功耗可以近似地看作是其时钟频率和工作电压平方的函数。下面给出了一个简化的功耗数学表达式：
P＝C×F×V2
其中，P表示功耗，F表示时钟频率，V表示工作电压，C表示比例常数。
从上式中可以看出，如果将时钟频率降低25%，可使功耗降低25%；如果将工作电压降低25%，可使功耗降低40%以上。更进一步地讲，如果时钟频率和工作电压同时降低，那么节省的功耗值则是二者的迭加，因此其降低功耗的幅度是相当惊人的。
这种DSP技术的动态电源管理特性可使用户对该处理器的输入电压(VDDINT)和时钟频率(fCLK)进行动态控制。表2列出了当处理器的输入电压和时钟频率都低于其标称值时对应的节省功耗的估算值。
在1/3峰值频率处，在满足速度要求的条件下，当内核所需要的电压降至最低时，可以将电池寿命延长10倍，如图1所示。



图1 带动态电源管理的DSP
外围电路的电源控制
这种DSP技术通过对每一个外围电路的输入时钟脉冲的时序进行动态管理来提供附加的电源控制能力。这样可使用户根据需要通过打开或关闭输入到每一个外围器件的时钟脉冲，达到用软件细微地调节功耗的目的。例如，如果在某时某地不需要某个外围电路工作，可通过软件关闭其输入时钟；待其需要时可再打开输入时钟。该项DSP技术可对下列外围电路的输入时钟进行控制：
PCI 接口
串行口0 和串行口1
SPI接口0 和SPI接口1
定时器 0，定时器1和定时器2
USB设备
通用 I/O口
通用异步收发器0和通用异步收发器1
结语
Blackfintm DSP系列产品的动态电源管理特性允许对功耗的设备场景敏感控制。系统设计工程师可以动态地改变DSP内核的工作频率和电压。由于具备动态电源管理功能，可使每mW功耗都能提供最大的计算处理能力，这就大大降低了下一代便携式设备的功耗并延长了电池寿命。这种高度集成的、高性能的产品是面向视频互联网设备应用，例如视频电话、游戏机、网络终端和智能手持设备等的理想解决方案。
         
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