如何優(yōu)化嵌入式 DSP 應(yīng)用的功耗
采用軟硬件技術(shù)可以提高電源效率，而使用內(nèi)置電源管理 API 的 DSP RTOS 更容易實現(xiàn)上述目的。

作者：Scott Gary，德州儀器 (TI)

無線及有線系統(tǒng)設(shè)計師均必須重視電源效率問題，盡管雙方的出發(fā)點不盡相同。

對于移動設(shè)備而言，更長的電池使用壽命、更長的通話時間或更長的工作時間都是明顯的優(yōu)勢。降低電源要求意味著使用體積更小的電池或選擇不同的電池技術(shù)，這在一定程度上也緩解了電池發(fā)熱問題。

對于有線系統(tǒng)而言，設(shè)計師可通過減小電源體積、減少冷卻需求以及降低風(fēng)扇噪聲來提高電池效率。人們很少會提到這樣一個事實：提高電源效率還可節(jié)省空間，用以增加能夠提高系統(tǒng)性能的組件，尤其是設(shè)計小組希望添加一個以上處理器時，這一點非常重要。

設(shè)計嵌入式 DSP 處理器或系統(tǒng)功耗要求嚴格的系統(tǒng)時，采用 DSP 專用技術(shù)、操作系統(tǒng)及其支持軟件可以降低功耗。超越傳統(tǒng)技術(shù)的 DSP 或雙處理器設(shè)計在節(jié)約能量方面表現(xiàn)出色。

本文將討論傳統(tǒng)及專門針對 DSP 的功耗優(yōu)化技術(shù)，首先對使用到的術(shù)語和原理進行定義與說明。

功耗基礎(chǔ)知識

互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 電路的總功耗是動態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和 [參考資料 3]：

當(dāng)門發(fā)生邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生內(nèi)部結(jié)點充電所需的開關(guān)電流以及P 通道及N 通道同時暫態(tài)開啟引起直通電流時，就會出現(xiàn)動態(tài)功耗。通過以下公式可以估算其近似值：

其中，Cpd 為動態(tài)電容，F(xiàn) 為開關(guān)頻率，Vcc 為電源電壓，而 Nsw 為轉(zhuǎn)換的比特數(shù)。

另外，電壓 (Vcc) 決定著穩(wěn)定工作狀態(tài)下的最大開關(guān)頻率 (F)。

上述關(guān)系中包含兩個重要概念：

• 動態(tài)功耗與開關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與電源電壓呈二次關(guān)系。
• 最大安全開關(guān)頻率取決于電源電壓。

為便于本文討論，將特定的頻率及電壓對稱為“設(shè)定點”。

很顯然，降低 CPU 時鐘速率將相應(yīng)成比例地降低動態(tài)功耗，由于動態(tài)功耗與電源電壓成二次關(guān)系，在不影響系統(tǒng)性能的前提下，通過降低電壓就可能額外大大降低功耗。

不過，對于特定任務(wù)集，降低 CPU 時鐘速率也會成比例地延長執(zhí)行該任務(wù)集的時間，因此必須仔細分析應(yīng)用以確保滿足其實時需求。

靜態(tài)功耗主要是由于晶體管漏電流造成的。一般說來，CMOS 電路的靜態(tài)功耗很低，與其動態(tài)功耗相比可以忽略不計。嵌入式應(yīng)用在不工作期間通常會“閑置”CPU 時鐘以減少動態(tài)功耗，從而顯著降低總體功耗。

而在未來的設(shè)計中必須特別關(guān)注靜態(tài)功耗問題，因為更高性能的新型晶體管的漏電流將顯著提高 [參考資料 13]。

嵌入式系統(tǒng)常用技術(shù)

常用電源管理技術(shù)可以分為兩類：通過早期硬件設(shè)計決策實現(xiàn)或在系統(tǒng)運行時實現(xiàn)。

設(shè)計早期的決策對滿足性能及功耗至關(guān)重要，下面列出了設(shè)計中需要考慮的十大要素，其中包括硬件選擇、設(shè)計策略及架構(gòu)選擇。大多數(shù)要素都是嵌入式系統(tǒng)的基本要求，其它要素則需要單獨考量。盡管下列決策是在設(shè)計早期制定的，但有些仍需在整個設(shè)計周期中進行再驗證。如下所列：

1. 選擇低功耗組件
2. 分割電壓與時鐘域；
3. 支持電壓及時鐘縮放功能；
4. 啟用保持電壓門控功能；
5. 利用軟件中斷減少輪詢；
6. 采用分級存儲器模型；
7. 降低輸出負載；
8. 引導(dǎo)時關(guān)閉非關(guān)鍵無動力資源；
9. 盡量減少活動 PLL 數(shù)量；
10. 使用時鐘分割器快速變換頻率。

有關(guān)上述列表的詳細信息如表 1 所示。

表 1. 通過早期硬件設(shè)計決策降低功耗

確定系統(tǒng)架構(gòu)以后，設(shè)計團隊需要將注意力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運行時環(huán)境。雖然以下列出的僅 14項，但在設(shè)計過程中要始終關(guān)注其中大部分內(nèi)容。

1. 不需要時則關(guān)閉門時鐘
2. 引導(dǎo)過程中主動關(guān)閉不必要的功耗
3. 僅在需要時用門向子系統(tǒng)供電
4. 激活外設(shè)低功耗模式
5. 充分利用外設(shè)活動檢測器
6. 使用自動刷新模式
7. 通過基準應(yīng)用確定最小必需頻率及電壓
8. 根據(jù)總體活動情況調(diào)整 CPU 頻率及電壓
9. 動態(tài)調(diào)度 CPU 頻率及電壓以匹配預(yù)測工作負載
10. 優(yōu)化代碼的執(zhí)行速度
11. 使用低功耗代碼序列及數(shù)據(jù)模型
12. 使用代碼覆蓋技術(shù)減少對高速內(nèi)存的需求
13. 更換電源時進入簡化性能模式
14. 平衡精確度與功耗的關(guān)系

老練的設(shè)計團隊必須至少要從概念上熟悉上述嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計要素（其中一項與 DSP電路有關(guān)），有關(guān)上述列表的詳細信息如表 2 所示。

表 2. 通過常用運行時技術(shù)降低功耗

實現(xiàn)表 1 及表 2 所述做法及策略并不容易。任何降低功耗的設(shè)計都有可能對性能產(chǎn)生負面影響或?qū)е孪到y(tǒng)不穩(wěn)定。下表列出了使用基本電源管理技術(shù)所面臨的主要難題。

表 3. 實際嵌入式系統(tǒng)設(shè)計面臨的主要難題

DSP RTOS 如何解決難題

大多數(shù)老練的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師都知道，表 2 中列出的許多技術(shù)問題都可以在操作系統(tǒng)中解決，而不必讓每個新的設(shè)計項目都“從零開始”。

上述最有價值并且得到普遍認可的技術(shù)中的一個子集已包括在 RTOS 中，相關(guān)技術(shù)包括：閑置、關(guān)閉活動電源、器件驅(qū)動器通知、內(nèi)存管理、V/F 縮放。由于設(shè)計目標不盡相同，將這些技術(shù)構(gòu)建到 RTOS 中需要很多技巧。設(shè)計師必須可以選擇混合或匹配子集。關(guān)鍵的設(shè)計目標就是高效性、靈活性以及操作系統(tǒng)的松耦合。

TI 的 DSP/BIOS? 操作系統(tǒng)的電源管理器 (PWRM) 非常適于用作現(xiàn)有 RTOS 的電源管理模塊 [參考資料 4]。盡管以下描述的實施是就特定 DSP/BIOS 而言的，但其概念可簡單地運用其他操作系統(tǒng)，甚至用于無操作系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

電源管理器的要求

電源管理器實施的關(guān)鍵要求如下：

1. 管理決策必須由應(yīng)用觸發(fā)，而不是操作系統(tǒng)觸發(fā)；
2. 電源管理活動應(yīng)當(dāng)針對大部分應(yīng)用代碼透明；
3. 電源管理器必須支持電壓與頻率 (V/F) 縮放，并充分利用芯片空閑與睡眠模式；
4. 電源管理器必須在應(yīng)用代碼、驅(qū)動器以及操作系統(tǒng)本身范圍內(nèi)協(xié)調(diào)電源事件處理，并在發(fā)生特定事件時向客戶端發(fā)出通知；
5. 電源管理特性必須在任何線程環(huán)境中可用，并且還必須對特定客戶端的多個實例可用（如一個器件驅(qū)動器的多個實例）；
6. 在向客戶端發(fā)出電源事件通知時，電源管理器必須支持事件處理的延遲完成，并在等待延遲客戶端的完成信號的同時通知其他客戶端；
7. 對具有不同功能的不同平臺，電源管理器必須是可擴展的和便攜性的。

為滿足上述的關(guān)鍵要求，可將電源管理器作為 DSP/BIOS 的附屬模塊被添加，如圖 1 所示。

圖 1. 電源管理器分區(qū)

電源管理器位于內(nèi)核之外，其不是系統(tǒng)中的一項任務(wù)，而是一系列可在應(yīng)用控制線程以及器件驅(qū)動器環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的 API。

這意味著無需修改內(nèi)核。但在 CPU 時鐘與操作系統(tǒng)定時器時鐘相耦合的平臺上，DSP/BIOS 時鐘模塊 (CLK) 需要補充例行程序，這對頻率縮放非常重要，因為這些例行程序能夠作為 PWRM 的客戶端程序適應(yīng)操作系統(tǒng)時鐘。

電源管理器寫入并讀取時鐘空閑配置寄存器，并通過控制 CPU 時鐘速率及穩(wěn)壓電路的平臺特定型功率擴展庫 (PSL) [參考資料. 5]直接與 DSP 硬件相連接。PSL 將電源管理器及應(yīng)用的其他部分與頻率和電壓控制硬件的低級實施細節(jié)相隔離。

電源管理器擁有若干個與應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)。由設(shè)計工程師對其進行靜態(tài)配置，并在運行時進行動態(tài)調(diào)用：

• 空閑時鐘域 —— 電源管理器提供的接口可使特定時鐘域處于空閑狀態(tài)，從而降低有效功耗。此外，其還可以在 OS 空閑環(huán)路 (idle loop) 的適當(dāng)點提供能自動使 DSP CPU 和高速緩存處于空閑狀態(tài)的機制。
• 降低引導(dǎo)時間的功耗——電源管理器包含一個鉤子機制 (hook mechanism)，這使開發(fā)人員能夠設(shè)定省電功能，以便在引導(dǎo)時間實現(xiàn)自動調(diào)用。
• 電壓及頻率 (V/F) 縮放——電源管理器提供的接口可使應(yīng)用動態(tài)更改 DPS 內(nèi)核的工作電壓及頻率。因此，應(yīng)用可利用該特性根據(jù)相關(guān)的處理要求相應(yīng)調(diào)整功耗。電源管理器 API 可設(shè)定應(yīng)用中的電壓是否應(yīng)隨同頻率進行縮放，以及在降壓 (down-voltage transition) 轉(zhuǎn)換過程中是否可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，轉(zhuǎn)換時延由負載而定，有可能會較長；如果處理器在降壓轉(zhuǎn)換期間工作正常，則允許繼續(xù)執(zhí)行應(yīng)用；此外，電源管理器還包含用于查詢 V/F 設(shè)定點屬性及時延的 API。
• 睡眠模式——電源管理器包含的配置接口及運行時接口使開發(fā)人員可喚醒自定義睡眠模式，以便在非工作狀態(tài)期間節(jié)省電能。
• 電源事件的注冊及通知——為了調(diào)整整個應(yīng)用中的 V/F 縮放比例、睡眠模式以及其他事件，電源管理擁有一套注冊及通知機制 (registration and notification mechanism)，以使諸如應(yīng)用代碼、外設(shè)驅(qū)動器、封裝內(nèi)容以及 OS 時鐘模塊等實體能夠進行注冊，用于通知會影響這些實體的特定事件，例如“即將更改 V/F 設(shè)定點”、“完成更改V/F 設(shè)定點”、“進入睡眠模式”、“從睡眠模式中喚醒”以及出現(xiàn)“電源故障”等。通知進程 (notification process) 是電源管理器的重要特性。當(dāng)無需通知時可使用“未登記”功能。

電源管理器 API

表 4 對運行時應(yīng)用編程接口進行了匯總。

表 4. 電源管理運行時 API 的匯總

戰(zhàn)略實施

由于已經(jīng)建立了提高電源效率的基礎(chǔ)，下一步工作就應(yīng)該進行戰(zhàn)略定義，以便開發(fā)低功耗應(yīng)用，并充分利用 OS 中的部分技術(shù)及支持。

所建議的策略包括以下 11 個步驟。該戰(zhàn)略具有可重復(fù)性：
當(dāng)無法滿足電源管理目標，也就是說需要采用額外的運行時方案才能滿足應(yīng)用電源預(yù)算時，就可重復(fù)訪問這些步驟。

1. 從初始就考慮到電源效率；
2. 選擇低功耗組件；
3. 對電源進行建模和估測，并進行相應(yīng)的硬件測試；
4. 針對電源管理和測量設(shè)計具備鉤子機制的 HW；
5. 構(gòu)建可大幅提高工作效率的 SW；
6. 啟用簡單的電源管理“開／關(guān)機切換”特性；
7. 在無需電源管理的情況下也可率先進入工作；
8. 重復(fù)開啟“開機”特性，并測量功耗開銷 (payoff)；
9. 開啟代碼生成優(yōu)化功能、重置代碼及數(shù)據(jù)，并調(diào)整 “熱點” 監(jiān)測；
10. 進行校準，以實現(xiàn)頻率及電壓的最小化；
11. 激活所有的電源管理特性，并進行相應(yīng)部署。

表 5 對上述戰(zhàn)略進行了非常詳盡的匯總說明。我們將在下文討論如何高效應(yīng)用上述策略。

表 5. 低功耗應(yīng)用開發(fā)的詳細策略

音頻應(yīng)用范例

選用現(xiàn)成的 DSP 評估板 5509A EVM PLUS 板作為測試平臺，該評估板不僅支持 V/F 縮放 ，還包含針對 DSP 內(nèi)核與總體系統(tǒng)電源測量的鉤子機制。

需要注意的是，EVM 作為易于使用的評估平臺，并未在出廠時提供最佳功耗配置。另外，在評估效果時應(yīng)謹記由于其易于配置，所以 EVM 上測量的總體系統(tǒng)電源數(shù)量就應(yīng)多于通常情況下部署的平臺。EVM 還能以 DSP 內(nèi)核級與系統(tǒng)級兩種方法測量各種技術(shù)的有效性。

步驟 1 無需解釋。步驟 2 及 4 基本上都由這種特殊 EVM 完成，這充分表明了該平臺的廣泛適用性。步驟 3（試驗）在 EVM 上進行，目的是測量各種技術(shù)的效果（如片上與片外存取的內(nèi)核及系統(tǒng)電源、DMA 與 CPU 傳輸?shù)谋容^、空閑外設(shè)及時鐘域的作用等等）。

架構(gòu)

應(yīng)用范例如圖 2 所示。如欲獲得該應(yīng)用的詳細信息（包括獨立的應(yīng)用手冊及源代碼），請查閱參考資料 15。

圖 2. 音頻應(yīng)用

音頻信號經(jīng)過采樣通過多信道緩沖串行端口 (McBSPs) 回放到 DSP。DSP DMA 引擎向McBSP 輸入或讀出采樣信號。立體聲音頻數(shù)據(jù)通過 RxSplit 任務(wù)與 Processing Task（正在處理的任務(wù)）分離為兩個數(shù)據(jù)流。DIP 開關(guān)用于選擇 G726 編碼／解碼處理或簡單音量控制。兩個通道隨后在 TxJoin 任務(wù)中組合，然后輸出至揚聲器。

Control（控制）任務(wù)被周期性觸發(fā)，檢查 DIP 開關(guān)以確定是否需要進行模式切換（如改變處理模式或進入睡眠狀態(tài)）。根據(jù)應(yīng)用模式的不同，Control（控制）任務(wù)可能會檢查 CPU 負載，如果合適還會更改 V/F 設(shè)定點。

與電源相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)計決定包括：

1. 使用 OS 線程及阻塞原語 (blocking primitive) 空閑時鐘；
2. 使用 DMA 提高后臺數(shù)據(jù) (background data) 傳輸效率。在 DMA 塊中完成傳輸（而不是每次數(shù)據(jù)采樣都從串行端口導(dǎo)入或讀出）后即中斷 CPU；
3. 使用共享的外部時鐘控制串行端口（無需對串行端口進行重新編程，即可進行 DSP CPU 的頻率縮放）；
4. 注冊回叫以便為編解碼器驅(qū)動程序設(shè)定鉤子機制，當(dāng)應(yīng)用進入深度睡眠模式時關(guān)斷編解碼器；
5. 在音頻質(zhì)量下降前使用校準功能恢復(fù)設(shè)定點頻率（及電壓）；
6. 使用電源管理器的時鐘適應(yīng)功能，使周期函數(shù)在頻率縮放后繼續(xù)以特定速率工作；
7. 使用 DSP 再引導(dǎo)間的電源管理器“深度睡眠”接口。

結(jié)論

總體效果總結(jié)如表 6 所示。前后模式的主要差異用黑體表示。

表 6. 節(jié)電效果

• 模式 #1 為基準測量，全部使用片外代碼。
• 模式 #2 消除所有片上代碼，DSP 級節(jié)電效果較小，但板級節(jié)電達到 19%。
• 模式 #3 包括一些引導(dǎo)時間節(jié)電配置（如關(guān)閉 DSP 的 CLKOUT 信號、未用計時器的自動空閑配置以及關(guān)閉板上 LED）及在 BIOS 空閑環(huán)路中的閑置，從而可實現(xiàn)25% 的 DSP 內(nèi)核級節(jié)電。
• 模式 #4 為設(shè)定點在 1.4v 下降至 144MHz 時的功耗，在該模式下可進行音頻處理，同時仍能滿足實時最低要求，從而實現(xiàn) 52% 的 DSP 內(nèi)核級節(jié)電。
• 模式 #5 為應(yīng)用處于待機模式下的功耗，該模式配置包括外部編解碼器關(guān)斷、設(shè)定點支持以最小電壓最大頻率快速啟動驅(qū)動、DSP 處于門控時鐘深度睡眠模式，該模式下的待機功耗僅為 361μW。

設(shè)計人員可根據(jù)特定應(yīng)用的要求選擇適用的技術(shù)，從而更有利于支持 RTOS 集成高回報技術(shù)。借助 OS 的這種支持功能，設(shè)計人員能夠以低開銷方便安全地提高應(yīng)用電源效率。

本文討論的電源優(yōu)化策略是一種從嵌入式項目之初即可用于降低與調(diào)節(jié)應(yīng)用功耗的通用模型。當(dāng)測量功耗無法滿足要求或需要采用額外的運行時技術(shù)時，上述策略可重復(fù)使用，先期步驟也可重復(fù)進行。例如，在音頻應(yīng)用中采用這種策略，僅需幾種高回報的節(jié)電技術(shù)，即可節(jié)省大量電能。