浅谈如何善用动态电源管理提高多媒体处理器能效

　　可携式电子设备中耗电量最大的元件为多媒体处理器。一般而言，最常用来降低中央处理器（CPU）功耗需求的方法是降低时脉频率或操作电压，但通常也会使系统效能降低。因此，晶片设计人员提出各种可直接在晶片上降低功耗，并且不对系统产生任何不利影响的方法。本文将解说这些技术的概念及其达到节能效果的运用方式，并探讨可协助处理器晶片发挥完整功效的外部电源管理装置及电源IC。

　　主动式电源管理让部分装置得以顺利运作

　　晶片上电源管理技术适用于管理主动式系统功耗及管理待机功耗两种主要应用类型。而主动式电源管理分为叁个部分，分别为动态电压和频率缩放（DVFS）、适应性电压缩放（AVS）及动态功率切换（DPS）。另一方面，静态功耗管理会在进行更多处理程序之前先将閒置系统保持于低功耗状态。这种电源管理通常是利用从待机到关机间的多种低功耗模式所进行的静态漏电流管理（SLM）。

　　主动式模式利用DVFS，可根据应用状况所需的效能，在软体中将时脉频率及电压降低。以内含安谋国际（ARM）进阶精简指令集运算（RISC）机器及数位讯号处理器（DSP）的应用处理器为例，虽然ARM元件能以高达600MHz的时脉频率进行运作，但并非总是需要所有运算能力。一般而言，软体会选取数个预先定义的处理器运作效能点（OPP），包括确保处理器能以达到系统处理需求的最低频率，进行运作所需的电压。为了能将功耗最佳化以适用于不同应用时增加更多弹性，可预先定义一组个别的装置核心OPP，以便用于处理器的互连及周边装置。

　　为符合特定的OPP，软体会将控制讯号传送至外部稳压器，以设定最低电压。如DVFS适用于两个电压电源VDD1（针对数位讯号处理器及ARM处理器供电）和VDD2 （针对子系统及周边装置间的互连供电），而这些电极可提供晶片所需的大部分电源，一般约为75～80%。将数位讯号处理器转换为能让ARM处理器以高达125MHz时脉频率运作的低运作效能点，即可将MP3解码，并能同时处理其他工作。只要将VDD1降至0.95伏特，而非可达到600 MHz运作的1.35伏特最高电压，便能以最佳功耗发挥以上功能。

　　第二种主动式电源管理技术为适应性电压缩放（AVS），可根据晶片製造和装置运作期间出现的各种变化进行调整。在DVFS中，所有处理器均具有预先设定的相同OPP，而此种技术和大多数现有製程相同，特定频率需求的晶片效能会遵循经过充分定义的电源分配方式。

　　相较于许多「冷」装置，有些「热」装置能以较低的电压达到特定的频率，因AVS能使处理器感测自身的效能程度，并据以调整电压电源。专用的晶片上AVS硬体不需处理器介入，便可执行回馈迴路，并能动态最佳化电压位準以因应处理结果、温度和硅晶片效能低落时出现的变化（图1）。

　　图1　使用CPLD进行供电排序

　　在运作中，软体会为各个OPP设定AVS硬体，而控制演算法会通过I2C匯流排将指令传送至外部稳压器，以逐步递减适当稳压器的输出，直到处理器刚好超出目标频率需求为止。如开发人员能先以所有状况都适合的电压开始进行设计，然后以0.95伏特的125MHz频率为目标进行设计（略高于图1所示的V1）。然而，若将使用AVS的「热」装置插入系统中，则晶片上的回馈机制便会自动将电压降至安谋国际所需的0.85伏特或更低（略高于图1所示的V2）。这两种主动式电源管理方法可以最低操作电压，让部分装置在理想速度下进行运作。相较之下，第叁种的动态电源切换（DPS）方法可确定装置何时完成目前的运算工作，若此时不需要，则会将装置切换至低功耗状态（图2）。如在等候DMA传输完成时，处理器进入低功耗状态。在唤醒时，处理器会在数微秒的时间内迅速回復正常状态。

　　图2　动态电源切换使已完成工作的特定装置部分进入低功耗状况。

　　SLM协助装置全面切换至低功耗状态

　　DPS只能将部分的多媒体系统单晶片（SoC）切换至低功耗状态，但在某些情形下，必须将整个装置都切换至低功耗状态，不论是没有任何应用程式运作时自动切换，或是根据使用者需求进行切换。在此种情形下，便可在启动待机模式或装置关闭模式时运用静态漏电流管理（SLM）。其中主要的区别为，在待机模式中，装置可保留内部记忆体和逻辑电路的状态，而在装置关闭模式中，所有的系统状态都会储存于外部记忆体中。透过SLM，装置的唤醒时间远少于冷启动，因为程式已载入于外部记忆体中，使用者不须等候整个作业系统（OS）重新启动。在使用媒体播放器时，若连续10秒鐘未处理任何工作且无任何使用者输入，媒体播放器便会关闭显示器，并进入待机模式或装置关闭模式，变为运用SLM的其中一例。

　　以採用安谋国际Cortex-A8核心的德州仪器（TI）OMAP35x单晶片处理器为例，该装置会进入装置关闭模式，也就是装置可自动唤醒的最低功耗模式。除被唤醒区域外，所有其他功耗区域都会关闭。因此，只有被唤醒区域会耗用来自输入/输出（I/O） 漏电流的电源。此时系统时脉会关闭，而被唤醒区域会以32kHz的时脉单独运作。OMAP35x也会自动将讯号传送至外部稳压器，在此深度休眠状态中即可将稳压器关闭。处理器未保留任何记忆体或逻辑电路，系统状态会在进入装置关闭模式前储存于外部记忆体中。一旦经过唤醒重设后，微处理器（MPU）会跳至使用者定义功能，双通道同步动态随机存取记忆体（SDRAM）控制器配置便会从暂存记忆体中回復。

　　通用技术打造节能效果

　　将上述的电源管理技术结合运用，便能以最佳方式处理各种运作状况。当可携式多媒体播放器的系统活动量相当高时，如在观看高解析度视讯状况下，便能于VDD1上设定增速OPP。对于需要中等程度功耗的网页浏览而言，可将VDD1及VDD2设定正常的OPP。对于功耗需求相对较低的音乐聆听而言，则可将VDD1和VDD2设定最低的OPP。在这些例子中，都能启动AVS降低「热」装置和「冷」装置两者间的功耗差异。最后，若使用者将媒体播放器持续开启，经过几小时或几天都未使用，便能使用SLM自动将装置切换为装置关闭模式。而为了能更加了解运用这些功能可达到的节能效果（除非特别註明，下列所举的例子都未使用德州仪器的AVS/SmartReflex技术），可思考下列几种状况。

　　?装置关闭模式--0. 590毫瓦

　　此为德州仪器OMAP 3可自动唤醒的最低功耗模式。在此模式中，除被唤醒区域之外，整个装置都已关闭，而被唤醒区域是以低于32kHz的频率进行运作。未使用的稳压器会关闭（VDD1=VDD2=0伏特），SDRAM会自行重新整理，而特殊启动顺序会在唤醒时回復SDRAM控制器及系统状态。

　　?待机模式--7毫瓦

　　在此装置状态中，被唤醒区域持续运作，而其他所有非唤醒功耗区域则处于低功耗保留状态（VDD1=VDD2=0.9伏特）。所有逻辑电路及记忆体都会予以保留。AVS会关闭。

　　?音讯解码-22毫瓦（不包括DPLL及IO功耗）

　　ARM处理器以125MHz进行运作，但在进入休眠模式后，只允许DMA从多媒体介面卡读取输入资料。影像、视讯及音讯加速器子系统（IVA）将MP3讯框（44.1kHz、128kbit/s立体声）解码，并将经解码的资料传送至SDRAM中的缓衝器。晶片上多通道缓衝序列埠会将资料传送至音讯编解码器以供播放。而针对系统配置，DSP会以90MHz进行运作，并在毋须进行任何处理週期中切换为低功耗状态，以节省电源。此时，VDD1=0.9伏特，而VDD2=1伏特。

　　?音讯/视讯编码--540毫瓦（不包括DPLL及IO功耗）。

　　此时会撷取音讯进行编码（48kHz且32kbit/s立体声的AACe+），并同时撷取视讯进行编码（20讯框/秒且2.4Mbit/s的H.264 VGA解析度），然后将两者加以储存。在此同时，会一併显示视讯。在此配置中，ARM处理器会以500MHz进行运作，DSP会以360MHz进行运作，而VDD1=1.2伏特，且VDD2=1.15伏特。晶片上的摄影机子系统也会撷取来自外部感应器的视讯输入，而多通道缓衝序列埠会撷取音讯PCM输入，IVA则会将视讯及音讯编码，经编码的资料会储存于多媒体介面卡中，然后显示子系统则将视讯加以调整，并将视讯传送至液晶显示器（LCD）和电视等输出介面。

　　晶片电源重设/时脉管理器可达电源管理弹性

　　为达到有效的电源管理弹性，DSP处理器採用晶片上电源重设与时脉管理器（PRCM）。OMAP3530处理器将自身的功能区块分为十八个功耗区域，各个功耗区域都有各自的开关。PRCM可开关所有的功耗区域，但使用者也可控制其中多个功耗区域。此外，根据逻辑电路与记忆体是否通电及时脉是否运作中等条件，各个功耗区域都会进入下列运作中、非运作中、保留或关闭四种状态中的其中一种。

　　对于ARM元件装置与DSP元件而言，这些状态通常需要辅助稳压器进行调节。市面上许多的稳压器都可达到此一功能，而这些稳压器也都须符合处理器的电压、电流、功率迴转率规格及功率升降定序等需求。为能在ARM处理器及DSP上执行DVFS与AVS操作，相关稳压器必须支援I2C程式设计功能。在装置关闭模式中，电路须能使用自动发出的I2C指令或透过专用的通用型之输入输出（GPIO）讯号开启或关闭VDD1与VDD2稳压器。GPIO讯号无任何I2C延迟，因此可达到较快的唤醒时间。为减轻设计工程师的负担，上述各功用的所有功能最好都整合于单一装置中，以大幅减少零件数量（图3）。

　　图3　进阶稳压器晶片整合多个个别切换稳压器与低压降线性稳压器，可适用于处理OMAP35x处理器的电压区域需求。