典型的DSP應(yīng)用系統(tǒng)的低功耗設(shè)計方案和思路實現(xiàn)

DSP應(yīng)用系統(tǒng)低功耗設(shè)計的具體措施

1．DSP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)計人員在進行電路低功耗設(shè)計時要熟悉DSP及其相關(guān)產(chǎn)品的動態(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，這對實現(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）為實現(xiàn)低功耗應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計了一批新型的DSP器件，以其中的TMS320C55X為例， C55X核可以在0.9V和0.05mW/MIPS環(huán)境下運行，傳輸速率可達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)計的問題，為支持DSP設(shè)計TPS767D3XX將兩個1-A線性穩(wěn)壓器和兩個上電復(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85μA）。壓差在1A時的典型值為350mW。在設(shè)計時考慮這些問題往往能達到事半功倍的效果。

2．使DSP適速運行

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)時鐘（CLKOUT1）成正比。在不需要DSP的全部運算能力時，可以適當(dāng)?shù)慕档蚑MS320的系統(tǒng)時鐘頻率使DSP適速運行以降低系統(tǒng)功耗。當(dāng)時鐘頻率增加時，電流也相應(yīng)地增加，執(zhí)行一段用戶程序代碼的時間會縮短。例如，以1.2mA/MHz運行一段500個時鐘周期代碼，當(dāng)CLKOUT1為10MHz時，DSP執(zhí)行該段代碼用50μs，所需電流為12mA；當(dāng)CLKOUT1增加到20MHz時，所需電流增加到24mA，執(zhí)行時間縮短為25μs。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)，因為該能量僅僅取決于DSP器件內(nèi)部邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換的數(shù)目。從這一點來看，似乎DSP的功耗并未降低。那為什么不讓DSP全速運行呢？可以用圖1來解釋這一問題：在圖1（a）中，DSP以全速運行代碼后進入降功耗模式（使用IDLE指令），而在圖1（b）中，DSP在整個運行時間段上適速運行。如前文所指出的：DSP全速運行和適速運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)還要消耗能量，而（b）中將節(jié)省這部分的能量。因此，在實際應(yīng)用系統(tǒng)中并不需要DSP的最高MIPS運算能力時，適當(dāng)降低系統(tǒng)的時鐘頻率能有效地降低系統(tǒng)功耗。

3．在軟件設(shè)計中降低功耗

CPU內(nèi)部執(zhí)行不同的指令時所消耗的電流是不同的，在軟件編程時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 activity），但是仍保留內(nèi)部各部件邏輯的時鐘，允許串口等片內(nèi)外設(shè)繼續(xù)工作。在20MHz的系統(tǒng)時鐘時，執(zhí)行IDLE指令所需電流的典型值為10mA。在相同的系統(tǒng)時鐘下，執(zhí)行IDLE2指令只需要3mA的電流；若關(guān)閉內(nèi)部部件的輸入時鐘時執(zhí)行IDLE2指令，這時電流值不超過5μA ，CPU所消耗的電能將大大降低。

從表1中可看到：對諸如NOP（空操作）這類簡單的指令而言，使用RTP（重復(fù)指令）將節(jié)省約12mA的電流；但是對MACD（相乘、累加及數(shù)據(jù)塊移動指令）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)指令反而會增加大約14mA的電流，達到90mA。注意到這個電流值是在數(shù)據(jù)完全并行處理時得到的，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)存儲塊，對它們進行操作時，兩個數(shù)據(jù)塊中的數(shù)據(jù)將被同時選中。因此，為減低系統(tǒng)功耗，在軟件設(shè)計時應(yīng)盡可能地將所要操作的數(shù)據(jù)存儲在同一個數(shù)據(jù)塊中，比如TMS320C209可將MACD的操作數(shù)同存儲在其片內(nèi)4K字的SARAM中。

4．存儲器類型對功耗的影響

前文已經(jīng)提到，在DSP器件按某一算法對數(shù)據(jù)進行處理時，DSP片內(nèi)的CPU將消耗大部分的能量。但是，數(shù)據(jù)處理所在的存儲環(huán)境也就是存儲器的類型對系統(tǒng)功耗有著較大的影響。以TMS320C2XX為例，在片的存儲器有單訪問RAM（SARAM），雙訪問RAM（DARAM）和ROM三種（TMS320C206還有閃速存儲器）。DSP應(yīng)用系統(tǒng)可用片內(nèi)的SARAM、DARAM、ROM或片外擴展的ROM來存儲用戶指令代碼，由于DARAM僅有256個字的容量，因此在一般情況下它被設(shè)置為數(shù)據(jù)RAM。參考文獻[3]表明：（1）在相同的條件下執(zhí)行一段測試代碼，程序在片內(nèi)的ROM運行要比在SARAM中運行節(jié)省10%的能量。這是因為：SARAM不能存儲用戶代碼（斷電后程序丟失），它只能將程序從ROM中加載后運行。在將代碼用BLPD（從程序存儲器到數(shù)據(jù)存儲器的塊移動）、TBLR（表讀）和RPT（重復(fù)下一條指令）等指令從程序區(qū)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中運行則可節(jié)省這部分能量。（2）執(zhí)行存放在片內(nèi)存儲器的用戶代碼所耗能量要比執(zhí)行存放在片外的存儲器低。其原因是程序在片內(nèi)ROM中運行可省去驅(qū)動外部程序存儲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，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)電動勢，使輸入引腳電位處于0與1間的過渡區(qū)域。這時反相器上、下兩個場效應(yīng)管都會導(dǎo)通，使系統(tǒng)功耗大大增加。

結(jié)語

影響DSP應(yīng)用系統(tǒng)功耗的因素除前面所提及的以外，還有很多因素：比如DSP應(yīng)用系統(tǒng)所處環(huán)境的溫度等。具體到任何一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)，在達到設(shè)計指標(biāo)的前提下應(yīng)對硬件、軟件在多方面進行優(yōu)化，盡可能地降低系統(tǒng)功耗。