如何優(yōu)化嵌入式DSP應(yīng)用的功耗

如何優(yōu)化嵌入式DSP應(yīng)用的功耗如何優(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DSPRTOS更容易實現(xiàn)上述目的。ScottGary，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(yán)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(jìn)行定義與說明。功耗基礎(chǔ)知識互補(bǔ)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(xì)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(yùn)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(jìn)行再驗證。如下所列：選擇低功耗組件分割電壓與時鐘域；支持電壓及時鐘縮放功能；啟用保持電壓門控功能；利用軟件中斷減少輪詢；采用分級存儲器模型；降低輸出負(fù)載；引導(dǎo)時關(guān)閉非關(guān)鍵無動力資源；盡量減少活動PLL數(shù)量；使用時鐘分割器快速變換頻率。有關(guān)上述列表的詳細(xì)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(tuán)隊需要將注意力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)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。不需要時則關(guān)閉門時鐘引導(dǎo)過程中主動關(guān)閉不必要的功耗僅在需要時用門向子系統(tǒng)供電激活外設(shè)低功耗模式充分利用外設(shè)活動檢測器使用自動刷新模式通過基準(zhǔn)應(yīng)用確定最小必需頻率及電壓根據(jù)總體活動情況調(diào)整CPU頻率及電壓動態(tài)調(diào)度CPU頻率及電壓以匹配預(yù)測工作負(fù)載優(yōu)化代碼的執(zhí)行速度使用低功耗代碼序列及數(shù)據(jù)模型使用代碼覆蓋技術(shù)減少對高速內(nèi)存的需求更換電源時進(jìn)入簡化性能模式平衡精確度與功耗的關(guān)系老練的設(shè)計團(tuán)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(xì)信息如表2所示。表2.通過常用運(yùn)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(fù)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DSPRTOS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(rèn)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(biāo)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(biāo)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(yùn)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：管理決策必須由應(yīng)用觸發(fā)，而不是操作系統(tǒng)觸發(fā)；電源管理活動應(yīng)當(dāng)針對大部分應(yīng)用代碼透明；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；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；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）；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；對具有不同功能的不同平臺，電源管理器必須是可擴(kuò)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(bǔ)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(kuò)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(xì)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(jìn)行靜態(tài)配置，并在運(yùn)行時進(jìn)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(idleloop)的適當(dāng)點提供能自動使DSPCPU和高速緩存處于空閑狀態(tài)的機(jī)制。降低引導(dǎo)時間的功耗——電源管理器包含一個鉤子機(jī)制(hookmechanism)，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(jìn)行縮放，以及在降壓(down-voltagetransition)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(fù)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(yùn)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(jī)制(registrationandnotificationmechanism)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)程(notificationprocess)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(yùn)行時應(yīng)用編程接口進(jìn)行了匯總。函數(shù)功能PWRM_changeSetpoint對最新的V/F設(shè)定點進(jìn)行初始化更改PWRM_configure為PWRM設(shè)置新的配置參數(shù)PWRM_getCapabilities在該平臺上獲取有關(guān)PWRM性能的信息PWRM_getCurrentSetpoint獲取當(dāng)前的有效設(shè)定點PWRM_getNumSetpoints獲取該平臺上可用設(shè)定點的數(shù)量PWRM_getSetpointInfo獲取設(shè)定點的相應(yīng)頻率及電壓值PWRM_getTransitionLatency獲取兩個設(shè)定點之間比例縮放的時延PWRM_idleClocks使特定時鐘域立即進(jìn)入空閑模式PWRM_registerNotify注冊可在發(fā)生特定功耗事件時進(jìn)行調(diào)用的函數(shù)PWRM_sleepDSP將DSP轉(zhuǎn)換至新的睡眠狀態(tài)PWRM_releaseDependency解除此前聲明的資源依賴性PWRM_setDependency聲明對電源的可管理資源具有依賴性PWRM_unregisterNotify未注冊來自PWRM的事件通知表4.電源管理運(yùn)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(jìn)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(biāo)，也就是說需要采用額外的運(yùn)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。從初始就考慮到電源效率；選擇低功耗組件；對電源進(jìn)行建模和估測，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件測試；針對電源管理和測量設(shè)計具備鉤子機(jī)制的HW；構(gòu)建可大幅提高工作效率的SW；啟用簡單的電源管理“開／關(guān)機(jī)切換”特性；在無需電源管理的情況下也可率先進(jìn)入工作；重復(fù)開啟“開機(jī)”特性，并測量功耗開銷(payoff)；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；進(jìn)行校準(zhǔn)，以實現(xiàn)頻率及電壓的最小化；激活所有的電源管理特性，并進(jìn)行相應(yīng)部署。表5對上述戰(zhàn)略進(jìn)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(xì)策略音頻應(yīng)用范例選用現(xiàn)成的DSP評估板5509AEVMPLUS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(jī)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(jǐn)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(jìn)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(xì)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。DSPDMA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ProcessingTask（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(yáng)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(jìn)行模式切換（如改變處理模式或進(jìn)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(fù)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：使用OS線程及阻塞原語(blockingprimitive)空閑時鐘；使用DMA提高后臺數(shù)據(jù)(backgrounddata)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；使用共享的外部時鐘控制串行端口（無需對串行端口進(jìn)行重新編程，即可進(jìn)行DSPCPU的頻率縮放）；注冊回叫以便為編解碼器驅(qū)動程序設(shè)定鉤子機(jī)制，當(dāng)應(yīng)用進(jìn)入深度睡眠模式時關(guān)斷編解碼器；在音頻質(zhì)量下降前使用校準(zhǔn)功能恢復(fù)設(shè)定點頻率（及電壓）；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；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。設(shè)置DSP內(nèi)核(mW)DSP節(jié)省(%)電路板(mW)電路板節(jié)省(%)1.CPU工作頻率為192MHz、電壓為1.6v

均為片外代碼

降低引導(dǎo)功耗功能：關(guān)閉

空閑環(huán)路：域處于活動狀態(tài)

207.8

--

2219

--2.CPU工作頻率為192MHz、電壓為1.6v

均為片上代碼

降低引導(dǎo)功耗：關(guān)閉

空閑環(huán)路：域處于活動狀態(tài)

203.3

2.17

1789

3.CPU工作頻率為192MHz、電壓為1.6v

均為片上代碼

降低引導(dǎo)功耗：開啟

空閑環(huán)路：域處于空閑狀態(tài)

155.2

1663

25.14.CPU工作頻率為144MHz、電壓為