【正文】 自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 作為第二種有源電源管理技術(shù)，是以芯片制造過程中以及器件運(yùn)行生命周期中產(chǎn)生的差異為基礎(chǔ)的。該技術(shù)與所有處理器都采用相同預(yù)編程 OPP 的 DVFS 不同。可以想見，就大多數(shù)已經(jīng)成熟的制造工藝而言，芯片的性能在既定頻率要求下要遵循一定的分布情況。部分器件(所謂的“熱”器件)相對(duì)于其他器件(所謂的“冷”器件)而言，能以較低的電壓實(shí)現(xiàn)給定的頻率，這就是 AVS 發(fā)揮作用的原理——處理器感應(yīng)到自身的性能級(jí)別，并相應(yīng)調(diào)整供電電壓。專用的片上 AVS 硬件可實(shí)施反饋環(huán)路，無需處理器干預(yù)即可動(dòng)態(tài)優(yōu)化電壓電平，以滿足進(jìn)程、溫度以及硅芯片衰減等造成的差異要求(圖 1)。圖 1給定處理器的典型性能分布。此處的“冷”器件工作在125 ，而“熱”器件在該頻率下只需 伏特。自適應(yīng)電壓縮放 (AVS) 技術(shù)采用反饋環(huán)路相應(yīng)調(diào)節(jié)供電電壓，確保各器件運(yùn)行在特定處理任務(wù)所需的頻率上軟件可在工作中為每個(gè) OPP 設(shè)置 AVS 硬件，而控制算法則通過 I2C 總線向外部穩(wěn)壓器發(fā)送指令，以逐步降低適當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出，直至處理器剛好超過目標(biāo)頻率的要求為止。例如，開發(fā)人員可首先設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足所有情況的電壓，在 125 MHz 頻率下為 伏特(在圖 1 中的 V1 上方)。但是，如果系統(tǒng)中插入了采用 AVS 技術(shù)的“熱”器件，那么片上反饋機(jī)制就會(huì)自動(dòng)將 ARM 的電壓降至 伏特或更低(圖 1 中的 V2 上方)。前兩種有源電源管理技術(shù)可以最小的工作電壓讓器件的某部分工作在理想的速度上。相比之下，第三種方法 — 動(dòng)態(tài)功率切換 (DPS) 先確定器件何時(shí)可完成當(dāng)前的計(jì)算任務(wù)，如果暫時(shí)不需要，則讓器件進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)(圖 2)。例如，處理器在等待 DMA 傳輸完成過程中會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。處理器在喚醒后幾微秒內(nèi)就能返回正常工作狀態(tài)。圖 2動(dòng)態(tài)電源切換 (DPS) 在給定器件的某部分完成任務(wù)后使其進(jìn)入低功耗狀態(tài)無源電源管理雖然 DPS 可讓多媒體片上系統(tǒng) (SoC) 的一部分進(jìn)入低功耗狀態(tài)，不過在有些情況下，我們可讓整個(gè)器件都進(jìn)入低功耗模式 — 在沒有應(yīng)用運(yùn)行時(shí)自動(dòng)或通過用戶請(qǐng)求進(jìn)入低功耗模式。要實(shí)現(xiàn)這一目的，我們可應(yīng)用靜態(tài)漏電管理 (SLM) 技術(shù)，啟動(dòng)待機(jī)或器件關(guān)閉模式。這兩種模式一個(gè)關(guān)鍵的不同之處在于：在待機(jī)模式下，器件仍然占用著內(nèi)部存儲(chǔ)器和邏輯，而在器件關(guān)閉模式下，所有系統(tǒng)狀態(tài)都保存于外部存儲(chǔ)器中。利用 SLM 技術(shù)，喚醒時(shí)間大大快于冷啟動(dòng)速度，因?yàn)槌绦蛞呀?jīng)載入到了外部存儲(chǔ)器，用戶無需等待操作系統(tǒng) (OS) 完全重新啟動(dòng)。在采用 SLM 技術(shù)情況下，我們以媒體播放器為例，如果打開十秒鐘后還沒有得到處理指令或用戶輸入，就會(huì)關(guān)閉顯示屏進(jìn)入待機(jī)或器件關(guān)閉模式。例如，TI 采用 ARM CortexA8 內(nèi)核的 OMAP35x 單芯片處理器器件就支持器件關(guān)閉模式，即器件可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。除了喚醒域之外，所有電源域均關(guān)閉，耗電的只有喚醒域與 I/O 漏電流。系統(tǒng)時(shí)鐘關(guān)閉，在此情況下，喚醒域的時(shí)鐘被單獨(dú)設(shè)為 32 kHz。此外，OMAP35x 還可自動(dòng)向外部穩(wěn)壓器發(fā)送信號(hào)，穩(wěn)壓器能夠在深度睡眠狀態(tài)下關(guān)閉。處理器內(nèi)部不保存存儲(chǔ)器或邏輯。在進(jìn)器件關(guān)閉電模式前，系統(tǒng)狀態(tài)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器中。經(jīng)后喚醒復(fù)位后，微處理器單元 (MPU) 會(huì)啟動(dòng)用戶定義的功能，SDRAM 控制器配置從高速暫存存儲(chǔ)器 (SPM) 中恢復(fù)。 可滿足各種用途的技術(shù)通過結(jié)合采用上述電源管理技術(shù)，我們可實(shí)現(xiàn)多種操作條件下的最佳功耗。如果系統(tǒng)忙于處理播放高分辨率視頻等便攜式播放器任務(wù)，那么可在 VDD1 上設(shè)置過壓 OPP。如果是功耗適中的 web 瀏覽，則可為 VDD1 與 VDD2 設(shè)置額定的 OPP。若是功耗較低的音樂欣賞，則可為 VDD1 與 VDD2 設(shè)置最低的 OPP。在上述所有情況下，我們都可啟動(dòng) AVS 來平衡“冷”“熱”器件的功耗差別。最后，如果用戶打開媒體播放器但數(shù)小時(shí)或數(shù)天都不使用，其會(huì)通過 SLM 技術(shù)自動(dòng)使器件進(jìn)入關(guān)閉模式。為更好的理解采用上述技術(shù)所帶來的節(jié)能優(yōu)勢，需要將下列案例納入考慮范圍。在以下案例中，除有特別說明，否則我們一概不采用 TI 的 AVS/SmartReflex 技術(shù)。在這些描述中，IVA 指影像、視頻以及音頻加速器子系統(tǒng)。案例一：器件關(guān)閉模式 — mW。這是 TI OMAP 可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。在該模式下，整個(gè)器件除了喚醒域之外全部關(guān)閉，而喚醒域的工作頻率還不到 32 kHz。關(guān)閉不使用的穩(wěn)壓器(VDD1 = VDD2 = 0)，自動(dòng)刷新 SDRAM，喚醒時(shí)特殊啟動(dòng)序列恢復(fù) SDRAM 控制器和系統(tǒng)狀態(tài)。案例二：待機(jī)模式 — 7 mW。在該器件狀態(tài)下，僅喚醒域工作，所有其他非喚醒電源域都處于低功耗保存狀態(tài)(VDD1 = VDD2 = 伏特)。所有邏輯和存儲(chǔ)器將保留。AVS 關(guān)閉。案例三：音頻解碼 — 22 mW(不含 DPLL 與 IO 功耗)。雖然 ARM 工作在 125 MHz 頻率上，但僅設(shè)置 DMA 從多媒體卡讀取輸入數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)入休眠狀態(tài)。IVA 解碼 MP3 幀( kHz、128k bps 立體聲)，并將解碼數(shù)據(jù)發(fā)送到 SDRAM 的緩沖中。片上多通道緩沖串行端口發(fā)送數(shù)據(jù)到音頻編解碼器以用于回放。就系統(tǒng)配置而言，DSP 的工作頻率為 90 MHz，在無需處理周期時(shí)進(jìn)入低功耗模式以降低功耗。這時(shí)，VDD1 為 ，VDD2 為 1伏特。案例四：音頻/視頻編碼 — 540 mW(不含 DPLL 與 IO功耗)。在該案例中，我們捕獲并對(duì)音頻進(jìn)行編碼(AACe+、48 kHz、32k bps 立體聲)，捕獲并編碼視頻( VGA 分辨率，每秒 20 幀， Mbsp)，音頻和視頻都保存，同時(shí)顯示視頻。在該配置下，ARM 工作頻率為 500 MHz，DSP 運(yùn)行頻率為 360 MHz，VDD1 為 ，VDD2 為 。此外，片上攝像子系統(tǒng)還可從外部傳感器捕獲視頻輸入，多通道緩沖串行端口捕獲音頻 PCM 輸入，IVA 執(zhí)行音頻和視頻編碼，編碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多媒體卡中，而顯示子系統(tǒng)則使視頻循環(huán)，并將視頻發(fā)送至 LCD 與電視輸出接口。實(shí)施電源管理為了實(shí)現(xiàn)充分的電源管理靈活性，DSP 處理器采用片上電源復(fù)位與時(shí)鐘管理器 (PRCM)。OMAP3530 處理器的功能模塊分為 18 個(gè)電源域，每個(gè)電源域都擁有自己的開關(guān)。PRCM 可開關(guān)所有電源域，但許多電源域也可由用戶控制。此外，每個(gè)電源域都能根據(jù)邏輯與存儲(chǔ)器是否加電、以及時(shí)鐘是否處于工作狀態(tài)而進(jìn)入四種狀態(tài)之一：工作狀態(tài)、非工作狀態(tài)、保持或關(guān)閉。就 ARM 與 DSP 器件而言，上述狀態(tài)通常需要輔助穩(wěn)壓器。市場上的許多穩(wěn)壓器都可滿足上述要求，當(dāng)然還需滿足處理器的電壓、電流、功率轉(zhuǎn)換速率規(guī)范以及功率上升下降排序要求等。為了在 ARM 與 DSP 處理器上執(zhí)行 DVFS 與 AVS操作，相關(guān)穩(wěn)壓器必須支持 I2C 可編程性。在器件關(guān)閉模式下，電路系統(tǒng)必須能通過自動(dòng)發(fā)出的 I2C 命令或?qū)ｉT的 GPIO 信號(hào)打開或關(guān)閉 VDD1 與 VDD2 穩(wěn)壓器。如果采用 GPIO 信號(hào)，由于不存在 I2C 延遲，那么喚醒時(shí)間會(huì)更快些。為了減輕設(shè)計(jì)工程師的負(fù)擔(dān)，上述各功能的所有特性最好集成在單個(gè)器件中，從而大幅減少部件數(shù)(圖 3)。圖 3高級(jí)穩(wěn)壓器芯片集成了多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器與低壓降線性穩(wěn)壓器，因而可滿足 OMAP35x 處理器的電壓域要求13