如何选用合适DSP元件进行低功率设计

/频率调整技术非常适合可携式应用。

电压域
　　
多域的观念同样适用于电压，设计人员可以根据效能需求将晶片分成多个部份，而每个部份使用不同的电压。由于不同的电压域必须以隔离电路分开，保护它们不受其它电压域的损害，因此这种技术用于设计时必须相当谨慎。它们还必须提供转换电路，用来转换跨越不同电压域的讯号。多电压域需要多组电源，然而晶片内建稳压器的效率通常都比不上电路板层级的电源供应器，因此这类设计多半需要由电路板供应多组电源，这正是多电压域技术的缺点之一：因为电路板需要增加多个电源层，使得设计复杂性大幅提升。

电源闸控（power supply gating）
　　
电源闸控又比时脉闸控技术更进一步，它会直接切断晶片闲置电路的电源。由于这种技术更复杂，又需要隔离电路，因此通常会用于比时脉闸控技术（以个别电路为单位）还大的范围（多半以模组为单位）。这种技术和多电压域技术也有所不同，其隔离电路会内建于晶片，避免增加电路板设计的复杂性。

操作点技术的应用范围
　　
上述技术是否有用，端赖使用者是根据电池寿命或最大功耗来评断应用系统的优劣。某些技术几乎对所有应用都有帮助，例如多时脉域和多电压域技术只需用到时脉频率和电压，所以任何应用系统都可以裼谜饬街旨际酢Ｓ虻氖目只会受到这些技术所带来的设计复杂性限制，多电压域还可能受到电路板复杂性的影响。同样地，多数元件的电路并非都是在最大负载条件下操作，因此时脉闸控技术（尤其裼米远控制方式的技术）在许多应用都能发挥作用。静态电压调整对所有应用都有好处，因为元件只会在提供所需效能的必要电压下操作。
　　
应用系统若以电池为电源，并提供多种操作模式，那么频率调整和动态电压/频率调整技术就能发挥最大作用；另一方面，这些方法对于重视最大功耗的应用却没有太大用处。除此之外，电源闸控对于这些类似于基础设施的应用可能也没有帮助，因为这类应用的元件很少会有大片电路处于闲置状态。

选择适当架构
　　
调整应用功耗的另一种做法是选择最适当的功能整合度、运算处理单元和记忆体架构。

L边和记忆体的整合
　　
元件和外部零件需要透过电路板互传讯号，有可能是系统功耗的主要来源，因为经由电路板传送讯号需要比晶片功能整合还高的电压，电路板讯号线的寄生电容也会造成功耗。
　
运算处理单元的调整
　　
以系统单晶片为主的现代元件可以选择不同类型的运算处理单元：

DSP
　　
专门执行讯号和影像处理演算法的处理器，内建多组应用最佳化硬体运算逻辑单元和乘法器，能以极高效率执行标准讯号处理演算法。这类元件具备完整的可程式能力，可以轻松支援未来出现的新标准。

通用处理器
　　
ARM处理器就是例子，其主要用来执行一般性功能，例如图形化使用者界面、网路堆叠（network stack）和整体系统控制。由于它们不必整合DSP功能所需的运算处理单元，所以执行一般性功能时功耗就比较小。

特殊用途硬体协同处理器
　　
只包含特定功能所需的算术单元和控制电路。如果应用功能的定义很明确，又不太可能改变，即可将该功能整合到硬体协同处理器。举例来说，整合了Viterbi和Turbo处理器的DSP，便可专门执行3G基地台标准所要求的前向错误更正（FEC）。
　　
今日的系统单晶片多半会整合前述多种运算处理单元。有些架构会裼枚嘀植煌类型的运算处理单元，然后将不同的功能交给最适当的核心执行。DSP可以高效率执行讯号处理，RISC则适合处理系统控制和使用者界面等工作。由于每个运算处理单元都以实际所需的速度执行最擅长的工作，故能将功耗减至最小；相形之下，若只用一个运算处理单元执行所有功能，其时脉频率就必须更高，同时还要包含更多硬体，其中有些部份可能经常处于闲置状态。换言之，这类设计的工作效率必然较低，而在工作效率就等于电源效率的情形下，其功耗必然更高。
记忆体系统的选择
　　
元件若想避免存取外部记忆体，也可将应用所需的记忆体全部整合至晶片内。然而视讯或影像系统之类的应用却需要极为庞大的记忆体，将它们全部整合至晶片所需的成本可能远超过直接在电路板上增加DRAM的费用。这类应用可以利用快取架构来减少外部记忆体的存取次数，进行降低系统总功耗。
　　
就算元件包含全部所需的记忆体，快取也能帮助它们降低功耗。这类元件可以将少量的第一层快取记忆体直接连线到处理器，使其储存主记忆体中最常用的内容。主记忆体则是第二层记忆体，其速度通常较慢，所用的记忆体方块也比第一层快取更省电。由于处理器的多数存取动作都会命中第一层快取记忆体，这些记忆体又裼玫缛葜到闲〉慕峁梗所以每次存取动作的功耗就变得更低。

封装与功耗
　　
前述所有省电技术都能帮助元件减少产生热量，封装则能透过高效率散热进一步加强它们的效果。传统的风扇、散热空间或
散热片都不适合空间有限的可携式应用，它们的高度或成本也可能超过插入式模组或汽车应用所能接受的范围；相形之下，金属散热盖或散热层虽会增加元件成本，却能提供更高散热效率。有些元件还将散热锡球连接到元件的散热接地面，由它透过电路板来达成更良好的散热效果。

选择适当技术

电池供电型应用
　　
可携式或掌上型应用最重视电池寿命，但可携式应用使用电池的方式却有极大差异。可携式产品有许多不同的操作模式，设计人员必须将这些模式列入考虑才能让电池享有最长寿命。

MP3播放机
　　
由于歌曲下载时间只撞シ派俨糠莸氖奔洌这类产品的电力多半用于歌曲播放。为了将待机功耗减到最少，它们还会在一段时间后自动关机。MP3播放机必须将音乐即时解压缩，避免资料流失造成各种杂音。MP3播放机的效能需求远小于视讯处理或宽频通讯等其它应用，所以最适合使用低功耗DSP。这类元件通常会裼玫吐┑缰瞥蹋因为漏电仍是主要功耗来源。它们还能裼闷德实髡技术，以便根据歌曲所需的解码效能来降低元件的时脉频率。

数位相机
　　
这类产品有多种操作模式，包括：
　　(1)自动关机的待机模式；
　　(2)预视模式（等待拍摄相片）；
　　(3)拍照模式（实际拍摄相片以及处理和压缩影像）；
　　(4)录影模式（部份相机具备此功能）。
　　
数位相机的萤幕有时会开启很长的时间，但DSP真正执行影像压缩的时间却很短。数位相机在预视模式和拍摄模式都必须执行许多即时处理作业，在预视模式必须不断显示最新画面，在拍摄模式则要尽快完成相片的处理和压缩，以便继续拍摄下一张照片，进而将两次拍摄之间的延迟时间缩到最短。这种DSP包含多种不同的运算处理单元：
　　●ARM7核心，负责系统控制功能和使用者界面；
　　●TMS320C54x处理器；
　　●SIMD影像处理引擎（iMX），提供可程式影像处理功能；
　　●可变长度编码和解码（VLC/VLD）协同处理器，负责影像和视讯的压缩与解压缩；
　　●预视引擎，即时显示预视画面以及数位变焦。
　　它还具备很高的功能整合度，可以缩小产品体积和减少系统功耗：
　　●多用途的OSD功能；
　　●彩色液晶萤幕的数位界面；
　　●CompactFlash、SmartMedia、Secure Digital以及Memory Stick记忆卡界面；
　　●多通道10位元数位类比转换器，负责提供NTSC/PAL复合视讯输出；
　　●多通道串列音讯Codec界面（McBSP）；
　　●晶片内建USB 1.1功能控制器。
　　
这类装置可以选定某些很少使用的功能，然后在它们处于闲置状态时切断时脉讯号。举例来说，预视和待机模式可能不需要iMX和VLD/VLC功能方块，相机未连接至个人电脑时则可将USB界面的电源关掉。

行动电话
　　
标准行动电话有两种电源模式：
　　(1)等待电话的待机模式；
　　(2)实际拨打电话的通话模式。
　　处于待机模式时，数据机功能（在等待电话时）会以低功耗模式操作，应用功能（数位语音编码和解码）的电源则可完全切断。手机进入通话模式后，数据机功能和应用功能就会在功耗较高的模式下操作。低耗电制程已能满足这类手机的处理需求，因此许多产品都裼谜庵种瞥桃越谑〉缌Γ此时产品净功耗与每种模式所子玫氖奔溆泄亍Ｋ们还能使用电压和频率调整技术，以便根据操作模式的作业需求来调整元件功耗。先进手机还增加数位相机、MP3和录影功能，所以其操作模式也变得更多。为了支援这些操作模式，行动电话通常会裼貌煌类型处理器所组成的异质架构，由DSP和各个操作模式专用的硬体加速器来执行数据机和相机等应用所需的讯号处理功能，再由DSP搭配负责使用者界面和系统控制功能的RISC处理器。如果某个模式不会用到加速器功能，系统也可切断它们的电压或时脉，例如待机模式不需要使用者界面时，可将RISC核心的电源关机。
　　
可携式应用会视需要袢「髦质〉缂际酰以便将重要操作模式的功耗减到最低。
基础设施系统
　　
封包语音（VoIP）或基地台收发器等设备所用的无线和有线基础设施虽属于「插入式」应用，却仍须在不同的功耗限制下操作。有些系统会在电源供应和系统散热能力已经固定的机架上，增加新的功能单元或通道容量，这些系统通常必须在室内空调系统故障时继续正常操作。每个机架的总功耗都不能超过现有电源供应的供电能力，电源供应会将电源提供给机架上的电路板，每张电路板再将电源分配给电路板上的不同元件。随着半导体元件日益精密，晶片还能提高操作频率或内建多颗DSP处理器来支援更多通道。另一方面，不断缩小的电路结构却让晶片产生更多功耗，因此透过封装提高散热效率也变得更重要。由于这些系统必须非常可靠，所以在分析其电源和散热需求时，应将所有处理器都在最大负载下工作的情况列入考虑。
　　
为了降低满负载的操作功耗，这类系统多半会裼迷诮系偷缪瓜虏僮鞯母咝能制程，并且搭配对于任何应用都有帮助的多时脉域和时脉闸控技术。这些系统不会利用多电压域技术降低功耗，因其包含大量而密集的处理器，此时若裼枚嗟缪褂蚣际趸嵩斐傻缏钒迳杓聘丛有源蠓增加。静态电压调整有助于节省功耗，由于功耗会随着操作电压的平方而改变，所以这些设计会选择较低的操作电压。这些元件还能整合更多核心，以弥补某些核心在较低频率下操作所不足的效能，例如与其使用四个在1.2V下操作的300MHz核心，还不如使用6个在1.0 V下操作的200MHz核心，因为两种解决方案的MHz效能（和通道处理能力）都是1200MHz，但后者功耗却只有前者的（1.0V/1.2V）2，大约是69％。这些元件的晶片面积大都用于内建记忆体，其中又以资料记忆体为主。由于在特定的通道处理密度下，每颗晶片所需的资料记忆体也是定值，而且其中多数记忆体又会直接分配给各个核心使用，所以增加核心并不会造成晶片总面积等比例增加，所带来的低功耗优点则足以弥补额外增加的成本。

功耗最佳化必须符合应用需求
　　
不同的DSP应用设备需要不同的策略来满足其需求，例如基础设施系统希望降低最大负载条件下的功耗，可携式应用则希望将电池的电力消耗减至最少，它们的需求显然就有极大差异。事实上，就算同类型的应用都可能有着极为不同的要求，例如不同的可携式应用必须袢〔煌的电源最佳化技术来满足各自的操作需求。半导体厂商想要服务各种市场，就必须掌握多种制程、设计和架构技术，才能针对目标应用提供最合适的元件。