DSP應(yīng)用系統(tǒng)的低功耗探討

1、DSP應(yīng)用系統(tǒng)的低功耗探討        摘要：低功耗設(shè)計(jì)在DSP系統(tǒng)中有著廣泛地應(yīng)用，本文以TI公司的定點(diǎn)DSP器件TMS320C5X和TMS320C2XX為例，從硬件和軟件多方面給出了低功耗設(shè)計(jì)的一些具體措施。    關(guān)鍵詞： DSP應(yīng)用系統(tǒng) 低功耗    前言    隨著電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛，許多應(yīng)用系統(tǒng)都涉及低功耗設(shè)計(jì)的問題。數(shù)字信號(hào)處理器由于具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，在諸如便攜式儀器儀表等方面得到了廣泛的應(yīng)用，以

2、DSP為核心的應(yīng)用系統(tǒng)中也存在著低功耗設(shè)計(jì)的問題。有多種辦法可以降低功耗，比如常用CMOS器件代替NMOS器件或雙極器件等，這已經(jīng)在許多場(chǎng)合得到應(yīng)用。本文就TMS320系列定點(diǎn)DSP，介紹一些降低功耗的方法。    DSP應(yīng)用系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的具體措施    1DSP器件的選擇    應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求來選擇合適的DSP器件。在典型的DSP應(yīng)用系統(tǒng)中，通常其核心是由一片或多片DSP構(gòu)成數(shù)據(jù)處理模塊，由于系統(tǒng)運(yùn)算量大且速度要求高，因此DSP內(nèi)部的部件開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換十分頻繁，這使得DSP器件的功耗在應(yīng)用系統(tǒng)的功耗中占

3、有相當(dāng)?shù)谋壤?。從某種意義上來說，選擇什么樣的DSP決定了系統(tǒng)功耗處于什么樣的層次，所以設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行電路低功耗設(shè)計(jì)時(shí)要熟悉DSP及其相關(guān)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)。DSP器件的功耗與該系統(tǒng)的電源電壓有關(guān)，同一系列的產(chǎn)品，其供電電壓可能不同，如TMS320C2XX系列中供電電壓就有5V和3.3V兩種，在系統(tǒng)功耗是系統(tǒng)設(shè)計(jì)首要考慮的情況下，應(yīng)盡可能地選擇低電壓供電的DSP器件。選擇3.3V低電壓供電的DSP除了能減小DSP本身的功耗以降低系統(tǒng)的總功耗外，還可以使外部邏輯電路功耗降低，這對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗有著重要的作用。值得注意的是：DSP生產(chǎn)廠家也比較注重系統(tǒng)功耗的問題，德州儀器公司（TI）為實(shí)現(xiàn)低功耗應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)

4、計(jì)了一批新型的DSP器件，以其中的TMS320C55X為例， C55X核可以在0.9V和0.05mW/MIPS環(huán)境下運(yùn)行，傳輸速率可達(dá)800MIPS，其功耗相當(dāng)于TI上一代芯片C54X功耗的15%左右，該芯片非常適合于電池供電系統(tǒng)的應(yīng)用。此外，TI公司還充分考慮 DSP電源供電設(shè)計(jì)的問題，為支持DSP設(shè)計(jì)TPS767D3XX將兩個(gè)1-A線性穩(wěn)壓器和兩個(gè)上電復(fù)位開關(guān)封裝在一起，它不僅降低組件數(shù)量和電路板大小，使系統(tǒng)的成本降低，在系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)方面也有重要的作用：TPS767D3XX在全部1-A輸出范圍內(nèi)提供極快的瞬態(tài)響應(yīng)、低壓差和幾乎恒定的低靜態(tài)電流（典型值為85A）。壓差在1A時(shí)的典型值為35

5、0mW。在設(shè)計(jì)時(shí)考慮這些問題往往能達(dá)到事半功倍的效果。    2使DSP適速運(yùn)行    TMS320系列的DSP一般采用CMOS工藝，CMOS電路的靜態(tài)功耗極小，而CMOS電路的動(dòng)態(tài)功耗的大小與該電路改變邏輯狀態(tài)的頻率和速度密切相關(guān)。TMS320系列應(yīng)用系統(tǒng)的功耗與工作頻率，即系統(tǒng)時(shí)鐘（CLKOUT1）成正比。在不需要DSP的全部運(yùn)算能力時(shí)，可以適當(dāng)?shù)慕档蚑MS320的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率使DSP適速運(yùn)行以降低系統(tǒng)功耗。當(dāng)時(shí)鐘頻率增加時(shí)，電流也相應(yīng)地增加，執(zhí)行一段用戶程序代碼的時(shí)間會(huì)縮短。例如，以1.2mA/MHz運(yùn)行一段500個(gè)時(shí)鐘周期代碼

6、，當(dāng)CLKOUT1為10MHz時(shí)，DSP執(zhí)行該段代碼用50s，所需電流為12mA；當(dāng)CLKOUT1增加到20MHz時(shí)，所需電流增加到24mA，執(zhí)行時(shí)間縮短為25s。TMS320系列執(zhí)行一段用戶程序所耗能量與器件執(zhí)行快慢無關(guān)，因?yàn)樵撃芰績(jī)H僅取決于DSP器件內(nèi)部邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換的數(shù)目。從這一點(diǎn)來看，似乎DSP的功耗并未降低。那為什么不讓DSP全速運(yùn)行呢？可以用圖1來解釋這一問題：在圖1（a）中，DSP以全速運(yùn)行代碼后進(jìn)入降功耗模式（使用IDLE指令），而在圖1（b）中，DSP在整個(gè)運(yùn)行時(shí)間段上適速運(yùn)行。如前文所指出的：DSP全速運(yùn)行和適速運(yùn)行該段代碼所耗電能是相同的，但是，在（a）中，DSP在空閑狀態(tài)

7、還要消耗能量，而（b）中將節(jié)省這部分的能量。因此，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中并不需要DSP的最高M(jìn)IPS運(yùn)算能力時(shí)，適當(dāng)降低系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率能有效地降低系統(tǒng)功耗。    3在軟件設(shè)計(jì)中降低功耗    CPU內(nèi)部執(zhí)行不同的指令時(shí)所消耗的電流是不同的，在軟件編程時(shí)如果能充分考慮到這一因素可以降低系統(tǒng)功耗。圖2和表1給出了TMS320C5X的一些指令的功耗特性。    TMS320C5X有幾種降功耗模式，這些降功耗模式中最常用的是使用IDLE和IDLE2指令。IDLE指令將CPU內(nèi)部操作掛起（suspend activit

8、y），但是仍保留內(nèi)部各部件邏輯的時(shí)鐘，允許串口等片內(nèi)外設(shè)繼續(xù)工作。在20MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，執(zhí)行IDLE指令所需電流的典型值為10mA。在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘下，執(zhí)行IDLE2指令只需要3mA的電流；若關(guān)閉內(nèi)部部件的輸入時(shí)鐘時(shí)執(zhí)行IDLE2指令，這時(shí)電流值不超過5A ，CPU所消耗的電能將大大降低。    從表1中可看到：對(duì)諸如NOP（空操作）這類簡(jiǎn)單的指令而言，使用RTP（重復(fù)指令）將節(jié)省約12mA的電流；但是對(duì)MACD（相乘、累加及數(shù)據(jù)塊移動(dòng)指令）這類CPU操作較復(fù)雜而且所需電流較大的指令來說，使用重復(fù)指令反而會(huì)增加大約14mA的電流，達(dá)到90mA。注意到這個(gè)電流值

9、是在數(shù)據(jù)完全并行處理時(shí)得到的，在這里數(shù)據(jù)并行是指MACD指令的操作數(shù)存放在不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)塊，對(duì)它們進(jìn)行操作時(shí)，兩個(gè)數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)將被同時(shí)選中。因此，為減低系統(tǒng)功耗，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地將所要操作的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一個(gè)數(shù)據(jù)塊中，比如TMS320C209可將MACD的操作數(shù)同存儲(chǔ)在其片內(nèi)4K字的SARAM中。    4存儲(chǔ)器類型對(duì)功耗的影響    前文已經(jīng)提到，在DSP器件按某一算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，DSP片內(nèi)的CPU將消耗大部分的能量。但是，數(shù)據(jù)處理所在的存儲(chǔ)環(huán)境也就是存儲(chǔ)器的類型對(duì)系統(tǒng)功耗有著較大的影響。以TMS320C2XX為例，在片

10、的存儲(chǔ)器有單訪問RAM（SARAM），雙訪問RAM（DARAM）和ROM三種（TMS320C206還有閃速存儲(chǔ)器）。DSP應(yīng)用系統(tǒng)可用片內(nèi)的SARAM、DARAM、ROM或片外擴(kuò)展的ROM來存儲(chǔ)用戶指令代碼，由于DARAM僅有256個(gè)字的容量，因此在一般情況下它被設(shè)置為數(shù)據(jù)RAM。參考文獻(xiàn)3表明：（1）在相同的條件下執(zhí)行一段測(cè)試代碼，程序在片內(nèi)的ROM運(yùn)行要比在SARAM中運(yùn)行節(jié)省10%的能量。這是因?yàn)椋篠ARAM不能存儲(chǔ)用戶代碼（斷電后程序丟失），它只能將程序從ROM中加載后運(yùn)行。在將代碼用BLPD（從程序存儲(chǔ)器到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的塊移動(dòng)）、TBLR（表讀）和RPT（重復(fù)下一條指令）等指令從程序區(qū)

11、傳送到數(shù)據(jù)區(qū)的過程中要消耗部分能量，而在片內(nèi)的ROM中運(yùn)行則可節(jié)省這部分能量。（2）執(zhí)行存放在片內(nèi)存儲(chǔ)器的用戶代碼所耗能量要比執(zhí)行存放在片外的存儲(chǔ)器低。其原因是程序在片內(nèi)ROM中運(yùn)行可省去驅(qū)動(dòng)外部程序存儲(chǔ)器接口電路所需要的電流。    5正確處理外圍電路    外圍電路包括輸入和輸出兩部分。從輸出部分來看，外部電路的驅(qū)動(dòng)要消耗一部分能量，除在DSP系統(tǒng)中使用的邏輯電路采用CMOS器件外，應(yīng)盡可能地選用低功耗的外圍器件，例如系統(tǒng)的顯示部分應(yīng)選用LCD（液晶顯示器）等。當(dāng)外部接口中邏輯電路所用的門電路較多時(shí)，應(yīng)使用單片的PAL或ASIC來完成。從輸入部分來看，DSP芯片中未使用的輸入引腳應(yīng)接地或接電源電壓，若將這些引腳懸空，在引腳上很容易積累電荷，產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使輸入引腳電位處于0與1間