浅谈如何善用动态电源管理提高多媒体处理器能效

　　可携式电子设备中耗电量最大的元件为多媒体处理器。一般而言，最常用来降低中央处理器（CPU）功耗需求的方法是降低时脉频率或操作电压，但通常也会使系统效能降低。因此，晶片设计人员提出各种可直接在晶片上降低功耗，并且不对系统产生任何不利影响的方法。本文将解说这些技术的概念及其达到节能效果的运用方式，并探讨可协助处理器晶片发挥完整功效的外部电源管理装置及电源IC。

　　主动式电源管理让部分装置得以顺利运作

　　晶片上电源管理技术适用于管理主动式系统功耗及管理待机功耗两种主要应用类型。而主动式电源管理分为叁个部分，分别为动态电压和频率缩放（DVFS）、适应性电压缩放（AVS）及动态功率切换（DPS）。另一方面，静态功耗管理会在进行更多处理程序之前先将閒置系统保持于低功耗状态。这种电源管理通常是利用从待机到关机间的多种低功耗模式所进行的静态漏电流管理（SLM）。

　　主动式模式利用DVFS，可根据应用状况所需的效能，在软体中将时脉频率及电压降低。以内含安谋国际（ARM）进阶精简指令集运算（RISC）机器及数位讯号处理器（DSP）的应用处理器为例，虽然ARM元件能以高达600MHz的时脉频率进行运作，但并非总是需要所有运算能力。一般而言，软体会选取数个预先定义的处理器运作效能点（OPP），包括确保处理器能以达到系统处理需求的最低频率，进行运作所需的电压。为了能将功耗最佳化以适用于不同应用时增加更多弹性，可预先定义一组个别的装置核心OPP，以便用于处理器的互连及周边装置。

　　为符合特定的OPP，软体会将控制讯号传送至外部稳压器，以设定最低电压。如DVFS适用于两个电压电源VDD1（针对数位讯号处理器及ARM处理器供电）和VDD2 （针对子系统及周边装置间的互连供电），而这些电极可提供晶片所需的大部分电源，一般约为75～80%。将数位讯号处理器转换为能让ARM处理器以高达125MHz时脉频率运作的低运作效能点，即可将MP3解码，并能同时处理其他工作。只要将VDD1降至0.95伏特，而非可达到600 MHz运作的1.35伏特最高电压，便能以最佳功耗发挥以上功能。

　　第二种主动式电源管理技术为适应性电压缩放（AVS），可根据晶片製造和装置运作期间出现的各种变化进行调整。在DVFS中，所有处理器均具有预先设定的相同OPP，而此种技术和大多数现有製程相同，特定频率需求的晶片效能会遵循经过充分定义的电源分配方式。

　　相较于许多「冷」装置，有些「热」装置能以较低的电压达到特定的频率，因AVS能使处理器感测自身的效能程度，并据以调整电压电源。专用的晶片上AVS硬体不需处理器介入，便可执行回馈迴路，并能动态最佳化电压位準以因应处理结果、温度和硅晶片效能低落时出现的变化（图1）。

　　图1　使用CPLD进行供电排序

　　在运作中，软体会为各个OPP设定AVS硬体，而控制演算法会通过I2C匯流排将指令传送至外部稳压器，以逐步递减适当稳压器的输出，直到处理器刚好超出目标频率需求为止。如开发人员能先以所有状况都适合的电压开始进行设计，然后以0.95伏特的125MHz频率为目标进行设计（略高于图1所示的V1）。然而，若将使用AVS的「热」装置插入系统中，则晶片上的回馈机制便会自动将电压降至安谋国际所需的0.85伏特或更低（略高于图1所示的V2）。这两种主动式电源管理方法可以最低操作电压，让部分装置在理想速度下进行运作。相较之下，第叁种的动态电源切换（DPS）方法可确定装置何时完成目前的运算工作，若此时不需要，则会将装置切换至低功耗状态（图2）。如在等候DMA传输完成时，处理器进入低功耗状态。在唤醒时，处理器会在数微秒的时间内迅速回復正常状态。

　　图2　动态电源切换使已完成工作的特定装置部分进入低功耗状况。

　　SLM协助装置全面切换至低功耗状态

DPS只能将部分的多媒体系统单晶片（SoC）切换至低功耗状态，但在某些情形下，必须将整个装置都切换至低功耗状态，不论是没有任何应用程式运作时自动切换，或是根据使用者需求进行切换。在此种情形下，便可在启动待机模式或装置关闭模式时运用静态漏电流管理（SLM）。其中主要的区别为，在待机模式中，装置可保留内部记忆体和逻辑电路的状态，而在装置关闭模式中，所有的系统状态都会储存于外部记忆体中。透过SLM，装置的唤醒时间远少于冷启动，因为程式已载入于外部记忆体中，使用者不须等候整个作业系统（OS）重新启动。在使用媒体播放器时，若连续10秒鐘未处理任何工作且无任何使用者输入，媒体播放器便会关闭显示器，并进入待机模式或装置关闭模式，变为运用