量身訂制的DSP元件設(shè)計(jì)策略

1、    量身訂制的DSP元件設(shè)計(jì)策略    量身訂制的DSP元件設(shè)計(jì)策略    類別：?jiǎn)纹瑱C(jī)/DSP                           許多嵌入式處理器都宣稱它們的功耗最低。但是事實(shí)上沒(méi)有一顆元件能在所

2、有的應(yīng)用中保持最低功耗，因?yàn)榈凸牡亩x與應(yīng)用環(huán)境習(xí)習(xí)相關(guān)，適合某種應(yīng)用的晶片設(shè)計(jì)很可能會(huì)給另一種應(yīng)用帶來(lái)難題?？蓴y式應(yīng)用多半是根據(jù)電池壽命來(lái)定義低功耗，這類應(yīng)用的功能相當(dāng)廣泛，操作模式也千變?nèi)f化。電信系統(tǒng)元件若要滿足應(yīng)用電源需求，就必須在功率預(yù)算范圍內(nèi)處理所要求的通道數(shù)目，同時(shí)透過(guò)封裝和電路板將功耗散逸，以確保元件保持在額定溫度范圍內(nèi)；另外，這些基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用也很重視最大負(fù)載條件下的功耗。因此，為了達(dá)到功耗要求，DSP供應(yīng)商會(huì)針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用選擇最合適的元件制程、電路設(shè)計(jì)、電壓和頻率操作點(diǎn)以及整體架構(gòu)。         &

3、;nbsp省電技術(shù)        &nbspDSP供應(yīng)商有許多技術(shù)可以用來(lái)降低功耗，并且達(dá)成效能目標(biāo)，包括：        &nbsp選擇適當(dāng)制程；        &nbsp電晶體設(shè)計(jì)技術(shù)；        &nbsp選擇正確的操作頻率和電壓；    

4、;    &nbsp選擇正確的架構(gòu)，包括整合度、記憶體架構(gòu)和運(yùn)算處理單元；        &nbsp採(cǎi)用散熱效率很高的封裝，確保元件保持在特定操作溫度范圍內(nèi)。        &nbsp功耗來(lái)源        &nbsp無(wú)論應(yīng)用為何，元件功耗都包含下面幾種來(lái)源：      

5、60; &nbsp漏電功耗（leakage power）         元件的漏電功耗為固定值，不受處理器動(dòng)作或操作頻率影響，但會(huì)隨著制程、操作電壓和溫度而改變。低精密度（low geometry）制程的漏電功耗多半會(huì)跟著電壓和溫度而呈指數(shù)增加。        &nbsp時(shí)脈功耗（clocking power）        &nbsp元件的

6、時(shí)脈功耗與時(shí)脈頻率成正比。高整合度元件的晶片面積多半用于記憶體或暫存器等同步組件，如果時(shí)脈架構(gòu)設(shè)計(jì)不良，那么無(wú)論元件實(shí)際工作量多寡，其功耗都會(huì)保持不變。        &nbsp操作功耗（active power）        &nbsp與元件當(dāng)時(shí)所執(zhí)行的實(shí)際系統(tǒng)功能有關(guān)。        &nbsp除了上述來(lái)源之外，元件功耗還會(huì)受到兩大因素影響： &#

7、160;      &nbsp元件電流        &nbsp元件電流越高，電池電力的消耗速度就越快，有時(shí)還會(huì)超出功率預(yù)算范圍而導(dǎo)致供應(yīng)電壓下降，使元件脫離正常操作區(qū)而造成錯(cuò)誤。        &nbsp元件/系統(tǒng)溫度升高        &nbsp元件若無(wú)法有效散熱，其溫度就可能超出額定范圍而造成操作錯(cuò)誤

8、。        &nbsp下列最佳化技術(shù)會(huì)以不同方式解決前述各種功耗問(wèn)題。        &nbsp選擇適當(dāng)制程        &nbsp為了使不同應(yīng)用的效能和功耗達(dá)到最佳化，德州儀器（TI）能提供各種制程類型，例如TI的130奈米低漏電制程在1.5V操作時(shí)幾乎沒(méi)有漏電流，對(duì)于DSP多半處于閑置狀態(tài)的可攜式應(yīng)用而言，這種低漏電制程就能幫助它們節(jié)省功耗。另一種高效

9、能制程的漏電流較大，卻能在1.2V下操作，採(cǎi)用該制程的元件可以達(dá)到低漏電制程的兩倍MHz效能。在較重視最大操作功耗（fully-active power）的基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用里，這種高效能制程的競(jìng)爭(zhēng)力還勝過(guò)低漏電制程，原因有兩點(diǎn)：首先，低漏電運(yùn)算處理單元的操作頻率只有高效能制程的一半，這表示其數(shù)量必須加倍才能提供同樣效能，但這會(huì)導(dǎo)致元件成本提高。其次，由于功耗與電壓平方成正比，故在其他條件相同的情形下，高效能制程的操作功耗只有低漏電制程的（1.2V/1.5V）2或是64。由于低操作功耗對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的重要性通常會(huì)超過(guò)低漏電功耗，因此高效能制程就成為這類應(yīng)用的最佳選擇。  

10、60;     &nbsp電晶體設(shè)計(jì)        &nbsp同樣制程的電晶體也可以有不同的開(kāi)關(guān)臨界電壓（VT），例如低VT電晶體的切換速度較快，高VT電晶體的漏電流則較小，晶片只需在會(huì)影響速度的部份使用低VT電晶體，其它電路則採(cǎi)用高VT電晶體以節(jié)省電力。設(shè)計(jì)人員的元件資料庫(kù)應(yīng)包含高VT和低VT電晶體所構(gòu)成的基本邏輯閘（NAND、NOR和INVERT等），他們有時(shí)還會(huì)使用中間臨界電壓（middle-VT）的電晶體。一般說(shuō)來(lái)，除非為了滿足重要的效能要求，否則應(yīng)盡量使用高V

11、T電晶體組成的邏輯閘。        &nbsp元件操作點(diǎn)：電壓和頻率        &nbsp數(shù)種元件時(shí)脈供應(yīng)方式可以節(jié)省功耗：        &nbsp多時(shí)脈域（multiple clock domain）；        &nbsp動(dòng)態(tài)頻率調(diào)整（dynamic frequency

12、scaling）；        &nbsp時(shí)脈閘控（clock gating）。        &nbsp除了時(shí)脈，調(diào)整電壓也能降低功耗：        &nbsp靜態(tài)電壓調(diào)整；        &nbsp動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整；      

13、  &nbsp多電壓域（multiple voltage domain）。        &nbsp多時(shí)脈域        &nbsp時(shí)脈域是元件中使用同一個(gè)時(shí)脈頻率的部份。將晶片電路分成多個(gè)時(shí)脈域可以讓每個(gè)部份以最適當(dāng)?shù)乃俣炔僮?，進(jìn)而節(jié)省電力。例如高效能DSP可能需要以1GHz操作，但連接至立體聲編碼解碼器界面的串列埠卻只需12MHz的速度。雖然多時(shí)脈域設(shè)計(jì)還需要同步電路和橋接電路讓訊號(hào)跨越不同的時(shí)脈域，其能大

14、幅降低整體功耗。        &nbsp頻率調(diào)整        &nbsp元件的某些時(shí)脈域在不同時(shí)間可能會(huì)有不同的操作需求，例如處理器若在某段時(shí)間只有10的運(yùn)算需求，那么將時(shí)脈頻率減為平常的1/10就能大幅降低時(shí)脈功耗。動(dòng)態(tài)時(shí)脈調(diào)整電路的設(shè)計(jì)必須非常小心，以確保同步邏輯電路收到穩(wěn)定而不會(huì)跳動(dòng)的最小負(fù)載週期時(shí)脈。頻率調(diào)整對(duì)于使用電池的應(yīng)用最有幫助。         &am

15、p;nbsp時(shí)脈閘控        &nbsp時(shí)脈閘控會(huì)切斷閑置電路的時(shí)脈，其中又以睡眠模式的做法最簡(jiǎn)單，它讓使用者利用軟體關(guān)掉晶片部份電路。其它技術(shù)則自動(dòng)將元件某些部份的時(shí)脈關(guān)掉，直到有需要時(shí)再啟動(dòng)，例如乙太網(wǎng)路的媒體存取控制器（MAC）平?？商幱谒吣Ｊ?，等到它偵測(cè)到網(wǎng)路后才開(kāi)始工作。時(shí)脈閘控也和頻率調(diào)整一樣適合所有使用電池的應(yīng)用。        &nbsp靜態(tài)電壓調(diào)整      

16、60; &nbsp若應(yīng)用的效能需求較低，元件也可在較低電壓下操作。舉例來(lái)說(shuō)，若DSP是在1.2V電壓下以720 MHz速率工作，它也能使用1.1V電壓并以600MHz頻率操作。由于功耗與電壓平方成正比，在1.1V電壓下以600MHz速率操作的功耗只有720MHz功耗的（1.1V/1.2V）2，大約是84左右。另外，操作功耗也會(huì)因?yàn)闀r(shí)脈頻率降低而減少兩成。        &nbsp動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整        &nbsp

17、這種技術(shù)讓電壓隨著頻率而減少以進(jìn)一步節(jié)省功耗。頻率的切換同樣必須非常小心，元件應(yīng)先將時(shí)脈切斷，然后才改變操作電壓。動(dòng)態(tài)電壓     /頻率調(diào)整技術(shù)非常適合可攜式應(yīng)用。        &nbsp電壓域        &nbsp多域的觀念同樣適用于電壓，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)效能需求將晶片分成多個(gè)部份，而每個(gè)部份使用不同的電壓。由于不同的電壓域必須以隔離電路分開(kāi)，保護(hù)它們不受其它電壓域的損害，因此這種技術(shù)用于設(shè)

18、計(jì)時(shí)必須相當(dāng)謹(jǐn)慎。它們還必須提供轉(zhuǎn)換電路，用來(lái)轉(zhuǎn)換跨越不同電壓域的訊號(hào)。多電壓域需要多組電源，然而晶片內(nèi)建穩(wěn)壓器的效率通常都比不上電路板層級(jí)的電源供應(yīng)器，因此這類設(shè)計(jì)多半需要由電路板供應(yīng)多組電源，這正是多電壓域技術(shù)的缺點(diǎn)之一：因?yàn)殡娐钒逍枰黾佣鄠€(gè)電源層，使得設(shè)計(jì)復(fù)雜性大幅提升。        &nbsp電源閘控（power supply gating）        &nbsp電源閘控又比時(shí)脈閘控技術(shù)更進(jìn)一步，它會(huì)直接切斷晶片閑置電路的電

19、源。由于這種技術(shù)更復(fù)雜，又需要隔離電路，因此通常會(huì)用于比時(shí)脈閘控技術(shù)（以個(gè)別電路為單位）還大的范圍（多半以模組為單位）。這種技術(shù)和多電壓域技術(shù)也有所不同，其隔離電路會(huì)內(nèi)建于晶片，避免增加電路板設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。        &nbsp操作點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用范圍        &nbsp上述技術(shù)是否有用，端賴使用者是根據(jù)電池壽命或最大功耗來(lái)評(píng)斷應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)劣。某些技術(shù)幾乎對(duì)所有應(yīng)用都有幫助，例如多時(shí)脈域和多電壓域技術(shù)只需用到時(shí)脈頻率和電壓，所以任何應(yīng)

20、用系統(tǒng)都可以採(cǎi)用這兩種技術(shù)。域的數(shù)目只會(huì)受到這些技術(shù)所帶來(lái)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性限制，多電壓域還可能受到電路板復(fù)雜性的影響。同樣地，多數(shù)元件的電路并非都是在最大負(fù)載條件下操作，因此時(shí)脈閘控技術(shù)（尤其採(cǎi)用自動(dòng)控制方式的技術(shù)）在許多應(yīng)用都能發(fā)揮作用。靜態(tài)電壓調(diào)整對(duì)所有應(yīng)用都有好處，因?yàn)樵粫?huì)在提供所需效能的必要電壓下操作。        &nbsp應(yīng)用系統(tǒng)若以電池為電源，并提供多種操作模式，那么頻率調(diào)整和動(dòng)態(tài)電壓/頻率調(diào)整技術(shù)就能發(fā)揮最大作用；另一方面，這些方法對(duì)于重視最大功耗的應(yīng)用卻沒(méi)有太大用處。除此之外，電源閘控對(duì)于這些類似

21、于基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用可能也沒(méi)有幫助，因?yàn)檫@類應(yīng)用的元件很少會(huì)有大片電路處于閑置狀態(tài)。        &nbsp選擇適當(dāng)架構(gòu)        &nbsp調(diào)整應(yīng)用功耗的另一種做法是選擇最適當(dāng)?shù)墓δ苷隙取⑦\(yùn)算處理單元和記憶體架構(gòu)。        &nbsp週邊和記憶體的整合        &nbs

22、p元件和外部零件需要透過(guò)電路板互傳訊號(hào)，有可能是系統(tǒng)功耗的主要來(lái)源，因?yàn)榻?jīng)由電路板傳送訊號(hào)需要比晶片功能整合還高的電壓，電路板訊號(hào)線的寄生電容也會(huì)造成功耗。        &nbsp運(yùn)算處理單元的調(diào)整        &nbsp以系統(tǒng)單晶片為主的現(xiàn)代元件可以選擇不同類型的運(yùn)算處理單元：        &nbspDSP    

23、   &nbsp專門(mén)執(zhí)行訊號(hào)和影像處理演算法的處理器，內(nèi)建多組應(yīng)用最佳化硬體運(yùn)算邏輯單元和乘法器，能以極高效率執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)訊號(hào)處理演算法。這類元件具備完整的可程式能力，可以輕松支援未來(lái)出現(xiàn)的新標(biāo)準(zhǔn)。        &nbsp通用處理器        &nbspARM處理器就是例子，其主要用來(lái)執(zhí)行一般性功能，例如圖形化使用者界面、網(wǎng)路堆疊（network stack）和整體系統(tǒng)控制。由于它們不必整合DSP功能

24、所需的運(yùn)算處理單元，所以執(zhí)行一般性功能時(shí)功耗就比較小。        &nbsp特殊用途硬體協(xié)同處理器        &nbsp只包含特定功能所需的算術(shù)單元和控制電路。如果應(yīng)用功能的定義很明確，又不太可能改變，即可將該功能整合到硬體協(xié)同處理器。舉例來(lái)說(shuō)，整合了Viterbi和Turbo處理器的DSP，便可專門(mén)執(zhí)行3G基地臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)所要求的前向錯(cuò)誤更正（FEC）。        

25、;&nbsp今日的系統(tǒng)單晶片多半會(huì)整合前述多種運(yùn)算處理單元。有些架構(gòu)會(huì)採(cǎi)用多種不同類型的運(yùn)算處理單元，然后將不同的功能交給最適當(dāng)?shù)暮诵膱?zhí)行。DSP可以高效率執(zhí)行訊號(hào)處理，RISC則適合處理系統(tǒng)控制和使用者界面等工作。由于每個(gè)運(yùn)算處理單元都以實(shí)際所需的速度執(zhí)行最擅長(zhǎng)的工作，故能將功耗減至最小；相形之下，若只用一個(gè)運(yùn)算處理單元執(zhí)行所有功能，其時(shí)脈頻率就必須更高，同時(shí)還要包含更多硬體，其中有些部份可能經(jīng)常處于閑置狀態(tài)。換言之，這類設(shè)計(jì)的工作效率必然較低，而在工作效率就等于電源效率的情形下，其功耗必然更高。         

26、&nbsp記憶體系統(tǒng)的選擇        &nbsp元件若想避免存取外部記憶體，也可將應(yīng)用所需的記憶體全部整合至晶片內(nèi)。然而視訊或影像系統(tǒng)之類的應(yīng)用卻需要極為龐大的記憶體，將它們?nèi)空现辆璧某杀究赡苓h(yuǎn)超過(guò)直接在電路板上增加DRAM的費(fèi)用。這類應(yīng)用可以利用快取架構(gòu)來(lái)減少外部記憶體的存取次數(shù)，進(jìn)行降低系統(tǒng)總功耗。        &nbsp就算元件包含全部所需的記憶體，快取也能幫助它們降低功耗。這類元件可以將少量的第一層快取記憶體

27、直接連線到處理器，使其儲(chǔ)存主記憶體中最常用的內(nèi)容。主記憶體則是第二層記憶體，其速度通常較慢，所用的記憶體方塊也比第一層快取更省電。由于處理器的多數(shù)存取動(dòng)作都會(huì)命中第一層快取記憶體，這些記憶體又採(cǎi)用電容值較小的結(jié)構(gòu)，所以每次存取動(dòng)作的功耗就變得更低。        &nbsp封裝與功耗        &nbsp前述所有省電技術(shù)都能幫助元件減少產(chǎn)生熱量，封裝則能透過(guò)高效率散熱進(jìn)一步加強(qiáng)它們的效果。傳統(tǒng)的風(fēng)扇、散熱空間或   

28、 &nbsp散熱片都不適合空間有限的可攜式應(yīng)用，它們的高度或成本也可能超過(guò)插入式模組或汽車應(yīng)用所能接受的范圍；相形之下，金屬散熱蓋或散熱層雖會(huì)增加元件成本，卻能提供更高散熱效率。有些元件還將散熱錫球連接到元件的散熱接地面，由它透過(guò)電路板來(lái)達(dá)成更良好的散熱效果。        &nbsp選擇適當(dāng)技術(shù)        &nbsp電池供電型應(yīng)用        &

29、amp;nbsp可攜式或掌上型應(yīng)用最重視電池壽命，但可攜式應(yīng)用使用電池的方式卻有極大差異?？蓴y式產(chǎn)品有許多不同的操作模式，設(shè)計(jì)人員必須將這些模式列入考慮才能讓電池享有最長(zhǎng)壽命。        &nbspMP3播放機(jī)        &nbsp由于歌曲下載時(shí)間只佔(zhàn)播放少部份的時(shí)間，這類產(chǎn)品的電力多半用于歌曲播放。為了將待機(jī)功耗減到最少，它們還會(huì)在一段時(shí)間后自動(dòng)關(guān)機(jī)。MP3播放機(jī)必須將音樂(lè)即時(shí)解壓縮，避免資料流失造成各種雜音。MP3播放機(jī)的效能需

30、求遠(yuǎn)小于視訊處理或?qū)掝l通訊等其它應(yīng)用，所以最適合使用低功耗DSP。這類元件通常會(huì)採(cǎi)用低漏電制程，因?yàn)槁╇娙允侵饕膩?lái)源。它們還能採(cǎi)用頻率調(diào)整技術(shù)，以便根據(jù)歌曲所需的解碼效能來(lái)降低元件的時(shí)脈頻率。        &nbsp數(shù)位相機(jī)        &nbsp這類產(chǎn)品有多種操作模式，包括：         (1)自動(dòng)關(guān)機(jī)的待機(jī)模式；   

31、;      (2)預(yù)視模式（等待拍攝相片）；         (3)拍照模式（實(shí)際拍攝相片以及處理和壓縮影像）；         (4)錄影模式（部份相機(jī)具備此功能）。        &nbsp數(shù)位相機(jī)的螢?zāi)挥袝r(shí)會(huì)開(kāi)啟很長(zhǎng)的時(shí)間，但DSP真正執(zhí)行影像壓縮的時(shí)間卻很短。數(shù)位相機(jī)在預(yù)視模式和拍攝模式都必須執(zhí)行許多

32、即時(shí)處理作業(yè)，在預(yù)視模式必須不斷顯示最新畫(huà)面，在拍攝模式則要盡快完成相片的處理和壓縮，以便繼續(xù)拍攝下一張照片，進(jìn)而將兩次拍攝之間的延遲時(shí)間縮到最短。這種DSP包含多種不同的運(yùn)算處理單元：        &nbspARM7核心，負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制功能和使用者界面；        &nbspTMS320C54x處理器；        &nbspSIMD影像處理引擎（iMX）

33、，提供可程式影像處理功能；        &nbsp可變長(zhǎng)度編碼和解碼（VLC/VLD）協(xié)同處理器，負(fù)責(zé)影像和視訊的壓縮與解壓縮；        &nbsp預(yù)視引擎，即時(shí)顯示預(yù)視畫(huà)面以及數(shù)位變焦。        &nbsp它還具備很高的功能整合度，可以縮小產(chǎn)品體積和減少系統(tǒng)功耗：        

34、&nbsp多用途的OSD功能；        &nbsp彩色液晶螢?zāi)坏臄?shù)位界面；        &nbspCompactFlash、SmartMedia、Secure Digital以及Memory Stick記憶卡界面；        &nbsp多通道10位元數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器，負(fù)責(zé)提供NTSC/PAL復(fù)合視訊輸出；   

35、60;    &nbsp多通道串列音訊Codec界面（McBSP）；        &nbsp晶片內(nèi)建USB 1.1功能控制器。        &nbsp這類裝置可以選定某些很少使用的功能，然后在它們處于閑置狀態(tài)時(shí)切斷時(shí)脈訊號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，預(yù)視和待機(jī)模式可能不需要iMX和VLD/VLC功能方塊，相機(jī)未連接至個(gè)人電腦時(shí)則可將USB界面的電源關(guān)掉。      

36、  &nbsp行動(dòng)電話        &nbsp標(biāo)準(zhǔn)行動(dòng)電話有兩種電源模式：         (1)等待電話的待機(jī)模式；         (2)實(shí)際撥打電話的通話模式。        &nbsp處于待機(jī)模式時(shí)，數(shù)據(jù)機(jī)功能（在等待電話時(shí)）會(huì)以低功耗模式操作，

37、應(yīng)用功能（數(shù)位語(yǔ)音編碼和解碼）的電源則可完全切斷。手機(jī)進(jìn)入通話模式后，數(shù)據(jù)機(jī)功能和應(yīng)用功能就會(huì)在功耗較高的模式下操作。低耗電制程已能滿足這類手機(jī)的處理需求，因此許多產(chǎn)品都採(cǎi)用這種制程以節(jié)省電力，此時(shí)產(chǎn)品凈功耗與每種模式所佔(zhàn)用的時(shí)間有關(guān)。它們還能使用電壓和頻率調(diào)整技術(shù)，以便根據(jù)操作模式的作業(yè)需求來(lái)調(diào)整元件功耗。先進(jìn)手機(jī)還增加數(shù)位相機(jī)、MP3和錄影功能，所以其操作模式也變得更多。為了支援這些操作模式，行動(dòng)電話通常會(huì)採(cǎi)用不同類型處理器所組成的異質(zhì)架構(gòu)，由DSP和各個(gè)操作模式專用的硬體加速器來(lái)執(zhí)行數(shù)據(jù)機(jī)和相機(jī)等應(yīng)用所需的訊號(hào)處理功能，再由DSP搭配負(fù)責(zé)使用者界面和系統(tǒng)控制功能的RISC處理器。如果某個(gè)模式不會(huì)用到加速器功能，系統(tǒng)也可切斷它們的電壓或時(shí)脈，例如待機(jī)模式不需要使用者界面時(shí)，可將RISC核心的電源關(guān)機(jī)。         &nbsp可攜式應(yīng)用會(huì)視需要採(cǎi)取各種省電技術(shù)，以便將重要操作模式的功耗減到最低。        &nbsp基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)        &nbsp封包語(yǔ)音（VoIP）或基