多媒體處理器通常是便攜式電子設備中功耗最高的器件。降低 CPU 功耗要求的常見方法是降低時鐘頻率或工作電壓，但是一般而言這樣做會使系統(tǒng)性能降低。另一方面，芯片設計人員還提出了各種片上方法來降低功耗，并且不會對系統(tǒng)產生不利影響。本文介紹了這些方法的概念，以及我們如何運用它們實現(xiàn)節(jié)能的目的，同時還討論了幫助處理器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源 IC。
有源電源管理
片上電源管理技術主要適用于兩類應用：管理有源系統(tǒng)功耗和管理待機功耗。
有源電源管理分為三個部分：動態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS);自適應電壓縮放 (AVS);以及動態(tài)電源轉換 (DPS)。另一方面，靜態(tài)功耗管理包括在需要進行更多處理以前將空閑系統(tǒng)維持在一種低功耗狀態(tài)。這種電源管理使用所謂的靜態(tài)漏電管理 (SLM)，其通常利用從待機到關機的數(shù)種低功耗模式。
讓我們來看一下有源模式。利用 DVFS，根據(jù)應用所要求的不同性能，時鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如，一款包括了先進 RISC 機器 (ARM) 和數(shù)字信號處理器 (DSP) 的應用處理器，即使 ARM 組件可以運行在高達 600 MHz 的時鐘頻率下，但卻并非總是需要所有這些計算能力。一般而言，軟件會選擇數(shù)個預定義處理器工作性能點 (OPP)，其包括確保處理器能夠運行在滿足系統(tǒng)處理要求的最低頻率下的電壓。在對滿足不同應用要求的功耗進行優(yōu)化的過程中，為了獲得更大的靈活性，人們?yōu)?a href="http://guth-family.com/article/3667.html" target="_blank">處理器中的互連和外設預定義了一個單獨的器件內核 OPP 集。
與給定的 OPP 相對應，軟件向外部穩(wěn)壓器發(fā)出控制信號來設置最低電壓。例如，DVFS 適用于兩個電壓源 VDD1(為 DSP 和 ARM 處理器供電)和 VDD2(為子系統(tǒng)和外設之間的互連供電)，同時這些電源軌提供芯片所需的大部分電量(一般約為全部所需電量的 75% 到 80%)。通過將 DSP 處理器轉入一個 ARM 可以高達 125MHz 時鐘頻率運行的低工作性能點完成對 MP3 解碼的同時，還可以有許多剩余電力用于完成其他任務。為了獲得具有理想功耗的這種功能性，我們可以把 VDD1 降至 0.95V，而非保證 600 MHz 運行的 1.35V 最高電壓。
第二種有源電源管理技術即自適應電壓縮放 (AVS) 基于芯片制造和器件工作壽命期間出現(xiàn)的各種變化。這種技術是相對于 DVFS 的，DVFS 中所有處理器均具有相同的預編程 OPP。正如人們認為的那樣，在大多數(shù)現(xiàn)有制造工藝中規(guī)定頻率要求的芯片性能符合一種充分定義的電源分配。相比許多“冷”器件，一些器件(即“熱”器件)可以在較低的電壓下達到規(guī)定頻率。此時，AVS 便可以發(fā)揮作用了—處理器檢測其自有性能水平，并相應地調節(jié)各電壓源。專用片上 AVS 硬件可實施一個反饋環(huán)路，其并不要求處理器介入，從而動態(tài)地優(yōu)化電壓電平來應對處理結果、溫度和硅芯片性能降低中的變化(請參見圖 1)。
圖1
圖 1 顯示了特定處理器的典型性能分布情況。其中，“冷”器件要求 0.94V 電壓以實現(xiàn) 125 MHz 的運行，而“熱”器件則只需要 0.83 V 就可實現(xiàn)相同頻率的運行。自適應電壓縮放 (AVS) 使用一個可相應調節(jié)電源電壓的反饋環(huán)路，這樣單個器件便可以完成特定處理任務所需的頻率運行了。
運行中，軟件為每一個 OPP 安排 AVS 硬件，同時控制算法通過一條 I2C 總線向外部穩(wěn)壓器發(fā)送命令，逐步遞增降低相應穩(wěn)壓器的輸出，直到該處理器剛好超出目標頻率要求為止。
例如，開發(fā)人員可以在一個適合于所有情況的電壓下并以 0.95V 的 125 MHz 頻率為目標開始進行設計(上面圖 1 所示的 V1)。但是，如果一個使用 AVS 的“熱”器件被插入該系統(tǒng)，那么該片上反饋機制就會自動地將電壓降至 ARM，即 0.85V 或更低(上面圖 1 所示的 V2)。
前兩種有源電源管理方法可獲得理想速度下運行器件局部所需的最低工作電壓。相比之下，第三種方法動態(tài)電源轉換 (DPS) 可確定器件何時完成其當前計算任務，如果當前并不需要，則將器件切換到低功耗狀態(tài)(請參見圖 2)。例如，在等待 DMA 傳輸完成時，處理器進入低功耗狀態(tài)。喚醒時，處理器可以在數(shù)微秒時間內迅速返回到正常狀態(tài)。
圖2 動態(tài)電源轉換 (DPS) 將完成任務后的特定器件的相應部分切換至低功耗狀態(tài)。
