多时脉域 - 量身订制的DSP元件设计策略

多时脉域

　　时脉域是元件中使用同一个时脉频率的部份。将晶片电路分成多个时脉域可以让每个部份以最适当的速度操作，进而节省电力。例如高效能DSP可能需要以1GHz操作，但连接至立体声编码解码器界面的串列埠却只需12MHz的速度。虽然多时脉域设计还需要同步电路和桥接电路让讯号跨越不同的时脉域，其能大幅降低整体功耗。

　　频率调整

　　元件的某些时脉域在不同时间可能会有不同的操作需求，例如处理器若在某段时间只有10%的运算需求，那么将时脉频率减为平常的1/10就能大幅降低时脉功耗。动态时脉调整电路的设计必须非常小心，以确保同步逻辑电路收到稳定而不会跳动的最小负载週期时脉。频率调整对于使用电池的应用最有帮助。

　　时脉闸控

　　时脉闸控会切断闲置电路的时脉，其中又以睡眠模式的做法最简单，它让使用者利用软体关掉晶片部份电路。其它技术则自动将元件某些部份的时脉关掉，直到有需要时再启动，例如乙太网路的媒体存取控制器(MAC)平常可处于睡眠模式，等到它侦测到网路后才开始工作。时脉闸控也和频率调整一样适合所有使用电池的应用。

　　静态电压调整

　　若应用的效能需求较低，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速率工作，它也能使用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速率操作的功耗只有720MHz功耗的(1.1V/1.2V)2，大约是84%左右。另外，操作功耗也会因为时脉频率降低而减少两成。

　　动态电压/频率调整

　　这种技术让电压随着频率而减少以进一步节省功耗。频率的切换同样必须非常小心，元件应先将时脉切断，然后才改变操作电压。动态电压

　　/频率调整技术非常适合可携式应用。

　　电压域

　　多域的观念同样适用于电压，设计人员可以根据效能需求将晶片分成多个部份，而每个部份使用不同的电压。由于不同的电压域必须以隔离电路分开，保护它们不受其它电压域的损害，因此这种技术用于设计时必须相当谨慎。它们还必须提供转换电路，用来转换跨越不同电压域的讯号。多电压域需要多组电源，然而晶片内建稳压器的效率通常都比不上电路板层级的电源供应器，因此这类设计多半需要由电路板供应多组电源，这正是多电压域技术的缺点之一：因为电路板需要增加多个电源层，使得设计复杂性大幅提升。

　　电源闸控(power supply gating)

　　电源闸控又比时脉闸控技术更进一步，它会直接切断晶片闲置电路的电源。由于这种技术更复杂，又需要隔离电路，因此通常会用于比时脉闸控技术(以个别电路为单位)还大的范围(多半以模组为单位)。这种技术和多电压域技术也有所不同，其隔离电路会内建于晶片，避免增加电路板设计的复杂性。

　　操作点技术的应用范围

　　上述技术是否有用，端赖使用者是根据电池寿命或最大功耗来评断应用系统的优劣。某些技术几乎对所有应用都有帮助，例如多时脉域和多电压域技术只需用到时脉频率和电压，所以任何应用系统都可以採用这两种技术。域的数目只会受到这些技术所带来的设计复杂性限制，多电压域还可能受到电路板复杂性的影响。同样地，多数元件的电路并非都是在最大负载条件下操作，因此时脉闸控技术(尤其採用自动控制方式的技术)在许多应用都能发挥作用。静态电压调整对所有应用都有好处，因为元件只会在提供所需效能的必要电压下操作。

　　应用系统若以电池为电源，并提供多种操作模式，那么频率调整和动态电压/频率调整技术就能发挥最大作用;另一方面，这些方法对于重视最大功耗的应用却没有太大用处。除此之外，电源闸控对于这些类似于基础设施的应用可能也没有帮助，因为这类应用的元件很少会有大片电路处于闲置状态。

　　选择适当架构

　　调整应用功耗的另一种做法是选择最适当的功能整合度、运算处理单元和记忆体架构。

　　週边和记忆体的整合

　　元件和外部零件需要透过电路板互传讯号，有可能是系统功耗的主要来源，因为经由电路板传送讯号需要比晶片功能整合还高的电压，电路板讯号线的寄生电容也会造成功耗。

　　运算处理单元的调整

　　以系统单晶片为主的现代元件可以选择不同类型的运算处理单元：

　　DSP

　　专门执行讯号和影像处理演算法的处理器，内建多组应用最佳化硬体运算逻辑单元和乘法器，能以极高效率执行标准讯号处理演算法。这类元件具备完整的可程式能力，可以轻松支援未来出现的新标准。

　　通用处理器

　　ARM处理器就是例子，其主要用来执行一般性功能，例如图形化使用者界面、网路堆叠(network stack)和整体系统控制。由于它们不必整合DSP功能所需的运算处理单元，所以执行一般性功能时功耗就比较小。

　　特殊用途硬体协同处理器

　　只包含特定功能所需的算术单元和控制电路。如果应用功能的定义很明确，又不太可能改变，即可将该功能整合到硬体协同处理器。举例来说，整合了Viterbi和Turbo处理器的DSP，便可专门执行3G基地台标准所要求的前向错误更正(FEC)。

　　今日的系统单晶片多半会整合前述多种运算处理单元。有些架构会採用多种不同类型的运算处理单元，然后将不同的功能交给最适当的核心执行。DSP可以高效率执行讯号处理，RISC则适合处理系统控制和使用者界面等工作。由于每个运算处理单元都以实际所需的速度执行最擅长的工作，故能将功耗减至最小;相形之下，若只用一个运算处理单元执行所有功能，其时脉频率就必须更高，同时还要包含更多硬体，其中有些部份可能经常处于闲置状态。换言之，这类设计的工作效率必然较低，而在工作效率就等于电源效率的情形下，其功耗必然更高。

　　记忆体系统的选择

　　元件若想避免存取外部记忆体，也可将应用所需的记忆体全部整合至晶片内。然而视讯或影像系统之类的应用却需要极为庞大的记忆体，将它们全部整合至晶片所需的成本可能远超过直接在电路板上增加DRAM的费用。这类应用可以利用快取架构来减少外部记忆体的存取次数，进行降低系统总功耗。

　　就算元件包含全部所需的记忆体，快取也能帮助它们降低功耗。这类元件可以将少量的第一层快取记忆体直接连线到处理器，使其储存主记忆体中最常用的内容。主记忆体则是第二层记忆体，其速度通常较慢，所用的记忆体方块也比第一层快取更省电。由于处理器的多数存取动作都会命中第一层快取记忆体，这些记忆体又採用电容值较小的结构，所以每次存取动作的功耗就变得更低。

　　封装与功耗

　　前述所有省电技术都能帮助元件减少产生热量，封装则能透过高效率散热进一步加强它们的效果。传统的风扇、散热空间或

　　散热片都不适合空间有限的可携式应用，它们的高度或成本也可能超过插入式模组或汽车应用所能接受的范围;相形之下，金属散热盖或散热层虽会增加元件成本，却能提供更高散热效率。有些元件还将散热锡球连接到元件的散热接地面，由它透过电路板来达成更良好的散热效果。

　　选择适当技术