单片机与DSP中的DSP系统电源管理技术
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2020-12-06
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单片机与单片机与DSP中的中的DSP系统电源管理技术系统电源管理技术
在便携式应用中，低功耗是产品能否独树一帜的关键所在，其决定着产品的尺寸大小与操作时间。举例来说，
如果您在跨越大洋的飞行时选择便携式DVD播放器作为消遣，那么电池寿命将会成为您的首选标准之一。在本
文中，我们将集中讨论许多更为常用的基于软件的技术。首先，我们从讲解某些可用于嵌入式系统的电源管理
技术开始，并谈谈其在实时应用中会遇到的诸多难题。电源效率既由硬件设计与组件选择决定，同时也由基于
软件的运行时电源管理技术决定。本文后半部分将集中展示如何将技术子集成到用于数字信号处理器(DSP)的实
时操作系统(RTOS)中，从而使应用开发人员选择出可满足其应用要求的专用技术。我们将以德州仪器公司(TI)
的(T
在便携式应用中，低功耗是产品能否独树一帜的关键所在，其决定着产品的尺寸大小与操作时间。举例来说，如果您在跨
越大洋的飞行时选择便携式DVD播放器作为消遣，那么电池寿命将会成为您的首选标准之一。在本文中，我们将集中讨论许
多更为常用的基于软件的技术。首先，我们从讲解某些可用于嵌入式系统的电源管理技术开始，并谈谈其在实时应用中会遇到
的诸多难题。电源效率既由硬件设计与组件选择决定，同时也由基于软件的运行时电源管理技术决定。本文后半部分将集中展
示如何将技术子集成到用于数字信号处理器(DSP)的实时操作系统(RTOS)中，从而使应用开发人员选择出可满足其应用要求
的专用技术。我们将以德州仪器公司(TI)的(TI) DSP/BIOS操作系统为作为实例，显示运行时电源管理软件技术的实施方法。
运行时电源管理技术运行时电源管理技术
尽管我们讨论的是某些可扩大标准多线程读取操作系统(OS)的特定电源管理技术，但应当强调指出的是，采用抢先式
(preemptive)的多线程读取OS本身常常能够实现显著的电源节约。不利用OS的实时应用常常要求应用周期性探询接口以检测
事件。从电源角度看，这样的效率是相当低的。使用OS可使应用能够利用中断驱动模式，其中程序就会在需要的时候开始执
行，以响应外部事件。此外，当基于OS的应用没有可做的事情时，其就会进入空闲线程，这时则可启动低功率操作模式，以
减少功耗。
但是，操作系统除了能简单地为DSP内核启用空闲模式之外，其还需要提供复杂得多的电源管理支持。在实践中，大量
功率被周边设备所消耗，可能是片上器件，也可能是外部设备，此外存储器也会消耗大量功率。任何电源管理方法都应当具备
管理外设功耗的支持，这是至关重要的。此外，电压与功耗之间的平方关系意味着，更高效的方法是在要求较低电压的较低时
钟速率上执行代码，而不是先以最高的时钟速率执行而后再转为空闲。我们将概括讲解在操作系统中实施电源管理支持的众多
机遇：
系统上电行为系统上电行为:
处理器及其片上外设一般均以最高时钟速率全面上电启动。不可避免的是，有些资源的供电启动还尚不需要，或者根本就
不会在应用过程中用到。举例而言，MP3播放器就很少使用其USB端口与PC进行通信。在启动时，操作系统必须为应用提供
一种调节系统的机制，从而关闭不必要的电源消耗器件或使之处于空闲状态。
空闲模式空闲模式:
CMOS电路中的有效功耗只有在当电路进行时钟计时的情况下才发生。通过关闭不需要的时钟，可以消除不必要的有效功
耗。在等待外部事件时，大多数DSP都融入了暂时终止CPU有效功耗的机制。CPU时钟的"闲置"通常由"停止"或"闲置"指令触
发，其在应用或操作系统闲置时进行调用。一些DSP进行多个时钟域分区，可以使这些域分别处于空闲状态，以中止未使用
模块中的有效功耗。例如，在TI的TMS320C5510 DSP中，可以有选择性地使6个时钟域闲置，其中包括CPU、高速缓存、
DMA、外设时钟、时钟生成器，以及外部存储器接口。
除了支持闲置DSP及其片上外设之外，操作系统还必须提供用于闲置外部周边设备的机制。例如，一些编码译码器具备
可以被激活的内置低功率模式。我们面临的一个挑战是类似看门狗定时器这样的外设。通常情况下，看门狗定时器应根据预定
义的时间间隔提供服务，以避免其激活。这样，减缓或中止处理的电源管理技术就可能无意中导致应用故障。因此，该OS应
当使应用在睡眠模式期间禁用此类外设。
断电断电:
尽管空闲模式消除了有效功耗，但静态功耗即便在电路不进行切换的情况下也会出现，这主要是由于逆向偏压泄漏
(reverse-bias leakage)造成的。如果系统包括的某个模块不必随时供电，那么我们就可以通过让操作系统仅在需要时才为子系
统上电，从而减少功耗。到目前为止，嵌入式系统开发商对最小化静态功耗投入的工作极少，因为CMOS电路的静态功耗非常
低。但是，新型、具有更高性能的晶体管使电流泄漏显著增加，这就要求我们对可降低静态功耗及更复杂的睡眠模式给予新的
关注。
电压与频率缩放(frequency scaling)有效功耗与切换频率成线性比例，但与电源电压成平方比。以较低的频率运行应用与
在全时钟频率上运行该应用并转入闲置相比，谈不上节约了多少功率。但是，如果频率与平台上可用的更低操作电压兼容的
话，那么我们就可能通过降低电压来实现显著的节约，这正是由于上述平方关系的缘故。这也使人们就如何通过电压缩放来节
约功率进行了大量的学术研究。
尽管电压缩放是一种潜在的、非常诱人的、降低功耗的方法，但在现实世界的应用中我们对其加以利用时应当小心。这是
由于我们需要完全了解该系统是否仍能满足它的实时最后期限。降低电压（进而降低CPU频率）将改变给定任务的执行时
间，从而有可能导致人物错过实时最后期限。即便新频率与最后期限兼容，但如果开关频率及电压的等待时间太长，还是会出
现问题。影响等待时间的因素包括如下：
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