随着嵌入式处理器集成更多的功能并采用更先进的工艺,它所面临的高性能与低功耗的矛盾越来越突出。本文介绍如何利用动态电压调整技术让处理器根据当前的工作负荷运行在不同的性能水平上,以节省不必要的功耗。ARM公司的能量管理方案可以帮助OEM将手持设备的电池寿命延到最长。
低功耗是嵌入式处理器最重要的特性之一,它会显著影响终端设备的成本和物理尺寸。尽管处理器可能不是一个系统设计中最耗电的元件,但为了减少整个系统的功耗,至关重要的是要管理处理器的功率。提高处理器的功效可以间接增加用于其它功能的电量,如彩屏和背光,这些特性正在成为无线手持设备、手持游戏机和便携多媒体播放机的标准配置。
历史上,嵌入式处理器开发者通过使用大量的低功耗闲置模式和睡眠模式来实现低功耗。现在,嵌入式处理器要执行越来越复杂的任务,因而需要更高的性能水平。其结果是,新处理器设计开始采用日益先进的架构技术,如分支预测和推测运算,以达到高性能。然而,这些技术也会显著增大处理器的功耗。
虽然电池技术已经取得更大进步,使其寿命有所延长、体积有所减小,但这些变化跟不上下一代系统设计迅速增加的功率需求。传统电源管理技术不再足以使电池寿命维持到最终用户可接受的水平。
工艺技术的发展趋势也使功率问题变得复杂化。以前,CMOS晶体管在静态条件下消耗的功率可以忽略不计。然而,随着工艺尺寸缩小,在提高速度和增大密度的同时,它们的静态(漏电)功耗也增加了。对于采用0.13微米高速工艺制造的芯片,目前的估测显示静态功耗约占总功耗的15%到20%。此外,随着工艺技术向100纳米以下发展,静态功耗将呈指数倍增长,并很快主导处理器的总功耗。
解决高性能与低功耗对立矛盾的方法之一是让处理器根据当前的工作负荷运行在不同的性能水平上。例如,播放MPEG视频比播放MP3音频需要更高的性能。因此,处理器播放MP3时可以运行在更低的频率下,但仍能获得全质量的精确回放效果。在这种情况下,通过降低处理器的供电电压就可以节省电能。动态电压调整(DVS)技术利用了以下事实:CMOS处理器的峰值频率正比于其供电电压,而给定工作负荷所需的动态电能正比于处理器供电电压的平方。降低处理器的供电电压,同时调慢处理器的时钟频率,可以使能耗缩减平方倍,从而延长工作时间。由于电池每次充电后存储的能量是有限的,只有这种节电方法才能延长电池的寿命。
处理器经常运行得太快。例如,从服务质量的角度看,当软件只要求在一秒内显示30帧图像时,那么在0.5秒内解码这些视频就是无意义的。在最终期限之前完成任务意味着低效率地使用能量。
实现这种折衷策略的关键是采用智能软件,其目的是把处理器的性能下降到刚好满足应用软件需求的水平。这类软件应该由若干“性能设定”算法组成,它们能确定什么是最佳的性能水平,并管理DVS等性能调整技术以提供相应的性能水平。
能量管理方案
ARM公司一直在研究可智能控制性能调整硬件的解决方案,并开发了一种端对端方案,提供给电池供电设备的开发者。
该方案的核心是一个称为智能能量管理器(IEM)的软件模块。IEM软件与底层操作系统(OS)接口,并采用取自OS内部结构的关键参数来“测量”当前运行的应用程序的使用状况。许多先进的软件算法被用来评估不同类型的软件活动,并预测所需的性能。然后,我们使用一个评估栈把每个预测结果组合起来就可以确定一个全局的性能需求。
与IEM软件密切配合的是智能能量控制器(IEC)组件。IEC组件是一种APB外设,它很容易被集成到任何基于AMBA技术的SoC设计中。通过使用精确的计数器和定时器,IEC组件可以测量系统的当前性能水平,并将其反馈给软件,以确保处理器性能决不会降低到满足软件负载所需的水平之下。它还可以把许多“测量”活动从软件卸载到硬件,从而减轻IEM软件给处理器造成的负担。
IEC组件还实现了性能调整硬件的抽象化。从软件角度看,随着工作负荷变化,所预测的性能水平将相应更改。为此,IEM将发给IEC组件一个新的请求,要求调整性能水平。至于如何实现某个级别的性能水平,IEC借助抽象向IEM隐含了细节。在设计时,IEC组件被设置成与一个专门设计的片上时钟管理单元(CMU)和功率控制器(PC)接口。CMU负责向处理器提供与所需性能水平相应的时钟频率。此外,功率控制器负责与一个片外电源接口,该电源向处理器内核提供与所需性能水平相应的电压。时钟频率和电压的协调变化由IEC组件管理,以确保有效的调整组合始终存在,并保证在不同性能水平之间的切换是平滑的,而且考虑到时钟发生器和外部电源的限制,这种切换应尽可能快地完成。
最高的节能效率
电池寿命已经成为终端用户非常关心的关键性能指标之一。为了帮助OEM将手持设备的电池寿命延到最长,ARM公司已经开发出IEM技术。该完整解决方案具有组件化特性,这意味着它能适应底层的性能调整硬件。
IEM预测软件能确定处理器可运行的最低性能水平,同时在IEC组件的辅助下,确保决不会低于软件负载所需的性能水平。
今天,借助IEC,APC与外部EMU一起进行性能预测,从而使处理器运行在最低的电压和频率下。因此,这种完全的DVS解决方案可以将处理器消耗的能量降到最低水平。
90纳米和70纳米工艺技术的应用将给IEM技术带来新的机遇。随着动态和静态功耗中漏电流比例的急剧上升,其它性能调整技术也将有用武之地,例如动态偏置和门限调整。凭借独立于硬件的特性,IEM和IEC同样能用于管理这些技术。
作者:Clive Watts
系统产品经理
ARM公司
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