利用CPLD降低处理器功耗

利用 CPLD 卸载系统微处理器的操作任务，可延长处理器节电模式，从而显著降低功耗

如今，降低总体系统功耗是设计便携式手持电子设备的最关键因素之一。消费者期望值的日益增长也就要求便携式设备必须延长电池寿命并提高自身性能。对于便携式系统设计人员和制造者来说，即使降低10mW 左右的功耗也是极其重要的。

如今，设计人员可以采用多种设计方法来大大降低总体系统功耗，如：

• 降低工作电压
• 优化系统和 CPU 时钟频率
• 消除上电过程中大电流消耗的尖脉冲
• 有效管理系统电池的工作
• 有效管理系统器件的操作模式
• 尽量减少总线活动
• 降低总线电容
• 降低开关噪声

这些只是设计方法中可用来降低任意终端应用的功耗的几个例子。

其中最重要的节电技法之一是管理系统中器件操作模式的能力。如今，许多制造商提供的器件都具有节电模式，即暂时将器件从其正常操作模式挂起。这些器件如果在特定时长内不活动，可以选择关闭电源或转至非工作状态。如今的许多微处理器和微控制器都具备这种功能。通过利用和管理 PCB 上功耗大户（如处理器）的操作模式，可以显著降低系统的总体功耗。

降低功耗不仅涉及正确管理器件的操作模式，还涉及到设计能利用器件可用操作模式的系统。卸载微处理器的操作任务可使微处理器在较长时间内保持低功耗状态。降低系统功耗的一种方法是让低功耗可编程逻辑器件（如 CPLD）管理这些卸载的操作。本文讲述这种方法以及可使处理器保持较长低功耗状态的操作类型，以期降低系统功耗。

微处理器操作模式

在某些便携式应用中，CPU 功耗可达总体系统功耗的 30%。图 1 所示为无线上网机应用中系统组件的典型功耗。



在正常工作状态下，微处理器的功耗范围可达 720μW 到 1W。微处理器的操作模式包括正常、运行、睡眠、挂起、待机、停止和空闲等，因器件和制造商而异。各操作模式之间的功耗变化范围可达 230mW。某些低功耗微处理器在正常操作模式下的功耗可少至 250mW。

示例

注：所提供的微处理器参考仅为示例，用来说明不同操作模式下的功耗。鉴于尚无确定功耗的标准方法，本文档中的数据以制造商提供的数据为依据，仅供参考。有关详情，请见“参考文献”。

下面举例说明微处理器在不同操作模式下的功耗差异。图 2 所示为 Intel StrongARM SA-1110 微处理器在不同操作模式下的功耗。图 2 所示功耗数字的确定条件是：工作频率 206 MHz，标称外部供电电压 3.3 V，内部供电电压 1.8 V。



StrongARM 处理器的操作模式包括正常、空闲和睡眠。在正常操作模式下，CPU 满负荷运行，器件完全供电并接收有效时钟。在空闲模式下，尽管仍然为 CPU 及其他组件供电，但对 CPU 的所有时钟输入都停止，仅保持对外设的时钟输入为有效。在睡眠模式下，停止向 CPU 及外设组件供电。在睡眠模式下，除实时时钟、中断控制器、电源管理器和通用 I/O 外，所有其他功能均停止。

操作模式控制

带节电模式的微处理器具有一个板上电源管理控制器。操作模式允许操作系统或软件应用程序将 CPU 暂时挂起。微处理器执行一系列进入节电状态的指令。进入断电模式后，微处理器的若干元件仍可响应系统中断。

例如，StrongARM SA-1110 处理器的空闲模式节电效果显著，但仍保持对 LCD、存储器和 I/O 控制器等模块供电。即使对 CPU 的时钟输入已经停止，外设模块仍处于活动状态。空闲模式仍会消耗 100mW 左右的可观功率。处理器进入睡眠模式后，仅为活动模块供电，使其响应中断和唤醒信号请求。睡眠模式比空闲模式功耗更小，其所耗电流可低于 100mA。

插入响应和处理系统中断的外部器件可以减少处理器的操作任务。通过让微处理器保持尽可能长的断电模式，即可显著降低功耗。

必须发生某一事件才能使微处理器从断电模式返回到正常操作模式。以下事件可唤醒处理器，但因制造商、器件和当前操作模式而异：

• 硬件复位
• 系统中断
• 通用 I/O 中断
• 实时时钟中断
• OS 计时器中断
• 外设中断
• 外部唤醒信号

一旦识别出已启动的唤醒事件，微处理器就会开始执行从断电状态唤醒的一系列步骤。图 3 所示为处理器从断电模式苏醒的一般流程。



CPLD 设计

操作模式是在微处理器空闲特定时长后启用。微处理器在接收到已启动的中断时会响应该中断请求。处理器在响应中断请求时会以运行或正常模式操作。减少对处理器的中断请求数可延长处理器处于节电状态的时间。理想情况下，如果没有任何需要执行的指令，微处理器就会永远保持节电模式。插入响应和处理系统中断的外部器件可以减少处理器的操作任务。通过让微处理器保持尽可能长的断电模式，可显著降低功耗。

使用低功耗可编程逻辑器件来辅助微处理器可以降低系统功耗并延长系统电池寿命。业界最新的 CPLD 产品可同时实现高性能和低功耗。典型低功耗 CPLD 的待机电流小于 100μA。图 4 所示为用可再编程 CPLD 作为对输入系统中断的接口。利用外部数据采集器件卸载需要微处理器处理的中断请求可降低总体系统功耗。