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??? 過去，選用低功耗" title="低功耗">低功耗 CPU通常意味著需要犧牲其功能性、降低時(shí)鐘運(yùn)行速度、或需要等待新型低功耗技術(shù)推出才能降低待機(jī)和工作功耗。現(xiàn)在，這種情況已得到了徹底改觀，處理器產(chǎn)業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化。處理技術(shù)不斷發(fā)展，創(chuàng)新型芯片設(shè)計(jì)和高精細(xì)粒度電源管理軟件不斷進(jìn)步，為我們帶來了全新系列的低功耗處理器，設(shè)計(jì)人員" title="設(shè)計(jì)人員">設(shè)計(jì)人員再也不用承受犧牲系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能的代價(jià)。當(dāng)然，沒有哪種產(chǎn)品是十全十美的，因此工程師必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)要求，分析不斷豐富的低功耗處理器產(chǎn)品，找出最能滿足其應(yīng)用要求的解決方案。

本文將以產(chǎn)品選擇指南的形式總結(jié)性介紹產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展水平。在選擇產(chǎn)品時(shí)，主要應(yīng)考慮兩大要素：第一，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需高度重視如下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：

• 功耗
• 性能
• 集成性
• 上市時(shí)間
• 價(jià)格

??? 第二個(gè)因素就是處理器，我們可根據(jù)處理器所包含的不同特性集對(duì)其加以分析，然后闡述一般性標(biāo)準(zhǔn)的真實(shí)含意以及如何為各種類型的處理器評(píng)級(jí)。了解處理器信息可實(shí)現(xiàn)兩大目標(biāo)：一是幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員了解市場(chǎng)上最新的處理器類型，其中有些可能對(duì)于他們而言是相對(duì)不太熟悉的新產(chǎn)品；二是在可選產(chǎn)品日趨豐富的情況下，可進(jìn)一步幫他們縮小為既定設(shè)計(jì)選擇最佳芯片的范圍。

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檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

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??? 表 1 向您綜合介紹了各種不同的低功耗器件，根據(jù)設(shè)計(jì)人員感興趣的幾種標(biāo)準(zhǔn)將低功耗處理器分為幾大不同的類型。首先我們要注意的是，這些標(biāo)準(zhǔn)都是彼此密切相關(guān)的。例如，在芯片上" title="片上">片上集成多個(gè)內(nèi)核、模擬特性、大容量存儲(chǔ)器或眾多外設(shè)" title="外設(shè)">外設(shè)等多種功能有助于降低系統(tǒng)總功耗與成本，并顯著加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。但是，這樣的高度集成會(huì)增加功耗，并使編程更復(fù)雜，從而延長產(chǎn)品的上市時(shí)間。

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功耗

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??? 對(duì)當(dāng)前眾多設(shè)計(jì)而言，這可謂是最重要的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于便攜式產(chǎn)品而言，更長的電池使用壽命是消費(fèi)者最關(guān)心的問題。如基礎(chǔ)局端應(yīng)用，低功耗轉(zhuǎn)換有助于降低散熱量，但散熱“包絡(luò)組件”又可能影響通道密度，不利于增加特性。此外，有些設(shè)計(jì)方案的就限定不能有高功率，如采用 USB 供電的產(chǎn)品或使用汽車電池的汽車配件產(chǎn)品，這種應(yīng)用就限定僅能有幾毫瓦的運(yùn)行功率。

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??? 我們應(yīng)從系統(tǒng)角度更好地認(rèn)識(shí)功耗。片上外設(shè)的正確組合有助于進(jìn)一步降低總體系統(tǒng)功耗，這不僅是因?yàn)槠馄骷碾姼?，還因?yàn)樵?PC 板上的線跡間傳輸數(shù)據(jù)消耗的電力比在器件自身內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)消耗的電力要多得多。

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??? 就獨(dú)立器件而言，其節(jié)能性取決于工藝技術(shù)的固有優(yōu)勢(shì)，不過高級(jí)處理器除了先進(jìn)工藝之外，還有眾多其他功能。功耗可分為兩大模式：一是工作功耗，也就是數(shù)據(jù)處理期間晶體管轉(zhuǎn)換與工作時(shí)的功耗；二是靜態(tài)功耗，即不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作或其工作受限以及各種組件進(jìn)入類似休眠模式時(shí)的功耗。

工作狀態(tài)的電源管理可采用數(shù)種方案：

• 動(dòng)態(tài)電壓與頻率縮放 (DVFS)：采用 DVFS 技術(shù)時(shí)，軟件命令可根據(jù)應(yīng)用方案所需的性能降低時(shí)鐘速率與電壓。例如，盡管多媒體處理器的 ARM 運(yùn)行速度可達(dá) 600 MHz，但并不是所有情況下都需要如此高的功率。軟件可在預(yù)定義的工作性能點(diǎn)上做出選擇，讓處理器以特定速率運(yùn)行。
• 自適應(yīng)電壓縮放 (AVS)：硅芯片制造工藝會(huì)導(dǎo)致不同部件有著不同的性能分布，我們可利用這一特點(diǎn)實(shí)施 AVS 技術(shù)。也就是說，在既定頻率要求下，有些所謂“熱”器件的產(chǎn)品可以較低電壓實(shí)現(xiàn)較高性能，而“冷”器件則做不到這一點(diǎn)。在此情況下，處理器能感測(cè)其自身的性能級(jí)別，并相應(yīng)調(diào)節(jié)電壓，以補(bǔ)償處理、溫度及硅芯片衰減等變化因素。
• 動(dòng)態(tài)電源轉(zhuǎn)換 (DPS)：該技術(shù)可確定器件某個(gè)部分是否已完成其當(dāng)前任務(wù)、目前是否還需要它繼續(xù)工作以及何時(shí)可讓它進(jìn)入低功耗狀態(tài)。該粒度化電源控制的一個(gè)范例就是處理器在等待 DMA 傳輸完成過程中已進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

??? 如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或處理工作受限時(shí)，選定組件便可進(jìn)入極低的功耗模式，且系統(tǒng)等待喚醒事件，這時(shí)靜態(tài)電源管理就會(huì)啟動(dòng)。通過眾所周知的靜態(tài)漏電管理方案來實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電流管理，可支持?jǐn)?shù)種不同的低功耗模式，其中包括待機(jī)模式乃至完全處于電源關(guān)閉狀態(tài) (Power Off)。低功耗靜態(tài)模式的選擇取決于存儲(chǔ)器保持度和/或是否需要快速喚醒。

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??? 憑借上述特性，大多數(shù)低功耗處理器規(guī)定的待機(jī)功耗約為 15 mW，且峰值工作功耗低于 400 mW；不過，德州儀器 (TI) 推出的 TMS320C55x 等定點(diǎn) DSP 的功耗更低，盡管其集成了 FFT 協(xié)處理器" title="協(xié)處理器">協(xié)處理器，且存儲(chǔ)器容量達(dá) 320kB，同時(shí)還支持 I/O 外設(shè)，但待機(jī)功耗僅為 0.50 mW，峰值工作功耗可為 75 mW。

表格中的大多數(shù)器件即便不是實(shí)施了所有這些低功耗特性的話也是實(shí)施了其中的大多數(shù)，因而能夠在功耗等級(jí)方面被評(píng)為“優(yōu)”。表中列為“良”的產(chǎn)品是性能最高的芯片，通常采用多個(gè)內(nèi)核，因此功耗較高也很自然。

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性能

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??? 更強(qiáng)大的處理能力非常重要，它不僅可實(shí)現(xiàn)全新的功能，提高單位成本或面積的通道數(shù)量，加快數(shù)據(jù)速率，增加密度，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的壓縮方法，從而實(shí)現(xiàn)特色化的終端用戶產(chǎn)品。

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??? 在考慮產(chǎn)品性能時(shí)，除了 MHz 這一指標(biāo)之外，工程師還應(yīng)考慮并行處理能力。通過不同方式集成 DSP、ARM 或協(xié)處理器的芯片可大幅提高性能。OMAP 平臺(tái)就是一個(gè)很好的范例。工程師可將代碼分組，分別運(yùn)行在最適用的內(nèi)核上。即便器件僅采用一個(gè)內(nèi)核，也能支持并行處理功能。例如，低功耗定點(diǎn)TMS320C640x 系列就采用單顆 CPU，能夠支持300 MHz頻率并行運(yùn)行的八個(gè)指令單元，因此處理性能非常高。在同樣確保低功耗預(yù)算的情況下，該器件的處理性能是市場(chǎng)上其他低功耗處理器的 2 倍。

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??? 除了集成處理元件之外，集成其他系統(tǒng)組件也有助于大幅提升性能。例如，足夠的片上存儲(chǔ)器容量意味著可在 CPU 需要頻繁導(dǎo)入并導(dǎo)出數(shù)據(jù)的情況下大幅加快代碼運(yùn)行速度。

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??? 不管開發(fā)什么類型的系統(tǒng)（多媒體設(shè)備或是功能性有限但需要盡可能降低功耗的設(shè)備），設(shè)計(jì)人員都能選擇到一款恰好能夠滿足所需處理能力的處理器。

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??? 在上表中，我們可以看到性能從“中”到“優(yōu)”，主要體現(xiàn)在既定器件能讓多少個(gè)內(nèi)核并行工作、片上外設(shè)有多少上。不過，我們通常必須在性能與功耗之間做出折中平衡。

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集成

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??? 顯然，集成度與性能密切相關(guān)。如前所述，某些芯片技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能在同一芯片上集成 DSP、ARM9 或協(xié)處理器之一或全部。

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??? 不過，從集成角度來說，我們還可在當(dāng)今器件上集成其他重要系統(tǒng)組件。集成存儲(chǔ)器就是一個(gè)很好的例子，其不僅有助于降低總體系統(tǒng)價(jià)格、節(jié)約系統(tǒng)功耗，而且還能簡化開發(fā)。一些低功耗處理器可直接在芯片上集成容量高達(dá) 50MB 的存儲(chǔ)器，如 TI 的OMAP-L1x 系列。在眾多情況下，我們都不再需要外接存儲(chǔ)器。

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??? 不過，當(dāng)前的存儲(chǔ)器可集成的外設(shè)種類越來越豐富，其中也包括模擬組件，逐次逼近寄存器 (SAR) A/D 轉(zhuǎn)換器就是一個(gè)主要的例子。比方說，SAR 可用于消費(fèi)類電子設(shè)備中常見的觸摸顯示屏接口。此外，其另一個(gè)應(yīng)用例子是通用并行端口 (uPP)，可直接連接至系統(tǒng)上的各種其他部件，如高速 ADC 或 FPGA 等。就當(dāng)前的低功耗處理器而言，用戶還能通過以太網(wǎng) MAC、USB 2.0、支持海量存儲(chǔ)的串行 ATA（SATA）、用于WLAN 支持等 I/O 功能的 SDIO、LCD 控制器以及視頻端口接口等獲得針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的片上支持。

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??? 在上表中，我們看到評(píng)分為“優(yōu)”的器件采用多個(gè)內(nèi)核或協(xié)處理器，而且還支持多種外設(shè)；評(píng)分為“良”的器件僅支持單內(nèi)核，但同時(shí)支持多種存儲(chǔ)器與外設(shè)；而評(píng)分為“中”的器件則支持較少的外設(shè)，不過它們的優(yōu)點(diǎn)在于功耗低，而且成本較低廉。

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上市時(shí)間

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??? 隨著消費(fèi)類電子產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新速度不斷加快，產(chǎn)品壽命也從幾年縮短至幾個(gè)月，因而產(chǎn)品上市進(jìn)程日益重要。某同業(yè)公司剛剛推出最新型的尖端產(chǎn)品，幾個(gè)月或是數(shù)周后立即就會(huì)有競(jìng)爭對(duì)手跟進(jìn)推出新產(chǎn)品，這是因?yàn)樾庐a(chǎn)品擁有吸引消費(fèi)者注意力的重要新特性。

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??? 產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度與集成度密切相關(guān)。顯然，如果組件實(shí)現(xiàn)片上集成，那么工程師所需的開發(fā)和故障調(diào)試時(shí)間就可以大幅縮短，因?yàn)椴槐卦匍_發(fā)多個(gè)芯片之間協(xié)調(diào)所需的接口和數(shù)據(jù)交換機(jī)制了。此外，PC 電路板互連和不同驅(qū)動(dòng)之間協(xié)作的問題也得以減少。

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??? 不過，如果芯片上集成的內(nèi)核或外設(shè)太多，工程師就需要適當(dāng)?shù)能浖ぞ咭詧?zhí)行這些組件。舉例來說，如果集成了ARM和DSP，就應(yīng)該采用良好的工具集在統(tǒng)一的編程環(huán)境中需要兩個(gè)內(nèi)核資源以便于應(yīng)用開發(fā)。此外，工程師還應(yīng)了解處理器廠商能否提供其它工具，如針對(duì)各種內(nèi)核優(yōu)化的第三方算法庫等，或者支持 Matlab 的 Simulink 或 National Instruments 的 LabVIEW 等第三方工具，以及評(píng)估/開發(fā)電路板乃至各種操作系統(tǒng)和開源選項(xiàng)等。這些因素對(duì)縮短開發(fā)時(shí)間、按計(jì)劃推出產(chǎn)品等而言都非常重要。

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??? 還有最后一點(diǎn)不容忽視，即 TMS320C674x 等浮點(diǎn)器件的編程復(fù)雜性較低。在眾多情況下，開發(fā)人員都能在臺(tái)式 PC 上用 Simulink 和 LabVIEW 等熟悉的工具編寫代碼，并將代碼移植到 DSP 上，而且只需做極少的修改，甚至根本無需修改。

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??? 不過總體上我們可以肯定地說，芯片的性能越高，所需的開發(fā)時(shí)間就越長。如果是需要較高級(jí)性能的復(fù)雜產(chǎn)品，則顯然在代碼的開發(fā)和故障調(diào)試方面就需要更長的時(shí)間。

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??? 最后，工程師必須始終提前考慮到為其下一代產(chǎn)品做好準(zhǔn)備。在某些市場(chǎng)上，標(biāo)準(zhǔn)變動(dòng)非常快，而企業(yè)又希望快速占據(jù)市場(chǎng)。這時(shí)，設(shè)計(jì)人員就必須構(gòu)建出能面向未來市場(chǎng)的產(chǎn)品，并可根據(jù)新標(biāo)準(zhǔn)或新增特性的要求及時(shí)實(shí)現(xiàn)升級(jí)。因此，了解處理器系列非常重要，檢驗(yàn)其在軟件與引腳對(duì)引腳兼容性方面是否存在問題——如果需要提高計(jì)算能力的話，是否能在盡可能少地改動(dòng)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和代碼的情況下實(shí)現(xiàn)性能提高。

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??? 上表中，評(píng)分為“優(yōu)”的產(chǎn)品在軟件與硬件方面的支持都非常豐富。評(píng)分為“良”的產(chǎn)品集成度較低，需要更多片外外設(shè)或存儲(chǔ)器，相關(guān)的設(shè)計(jì)工作也更多一些。

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價(jià)格

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??? 在評(píng)估價(jià)格這一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，工程師不應(yīng)單著眼于芯片的價(jià)格。芯片本身的價(jià)格正不斷下降，以至于現(xiàn)在大多數(shù)低功耗處理器的成本都不足 15 美元。根據(jù)器件的具體特性，價(jià)格可降低至 4 美元。對(duì)消費(fèi)類應(yīng)用來說，每個(gè)組件的成本都很關(guān)鍵。但對(duì)于基礎(chǔ)局端或商業(yè)應(yīng)用來說，單個(gè)組件的成本并不太重要，擁有成本與效率才是更應(yīng)關(guān)注的問題。

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??? 工程師更應(yīng)關(guān)注整體的系統(tǒng)成本問題。反過頭來還以存儲(chǔ)器為例，如果產(chǎn)品的所有算法運(yùn)行都采用片上存儲(chǔ)器，那么僅通過減少不必要的外部存儲(chǔ)器芯片就能節(jié)約1到2美元。如果集成了諸如 SATA、以太網(wǎng)、存儲(chǔ)器、USB 2.0 以及 ARM9 等，就能顯著節(jié)約系統(tǒng)成本（可高達(dá) 9 美元），如在討論集成章節(jié)時(shí)提到的 OMAP-L1X 系列或其他高集成度外設(shè)。

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??? 除了芯片的價(jià)格之外，工程師還應(yīng)評(píng)估開發(fā)的簡易性，這包括了軟硬件開發(fā)工具、技術(shù)支持、培訓(xùn)、第三方支持、文檔、工程設(shè)計(jì)時(shí)間/開銷以及 NRE 開發(fā)費(fèi)用等。加速開發(fā)進(jìn)程有助于實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的終端產(chǎn)品，因?yàn)閷氋F的時(shí)間與金錢可用于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，而不是花費(fèi)在構(gòu)建設(shè)計(jì)基礎(chǔ)局端上。

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??? 因此，工程師不光要考慮開發(fā)電路板與仿真器的價(jià)格，還要考慮其質(zhì)量，以及能多快地提高開發(fā)速度。高質(zhì)量 IDE 與編譯器使設(shè)計(jì)人員能夠更全面地了解設(shè)計(jì)情況，并加速產(chǎn)品上市進(jìn)程。工程師應(yīng)關(guān)注哪些硅芯片廠商能提供免專利費(fèi)的操作系統(tǒng)，哪些第三方合作伙伴能提供經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)證的、可直接投入使用的代碼，如在基于 DSP 的設(shè)計(jì)中用到的編解碼器等，此外，還應(yīng)注意可以幫助設(shè)計(jì)人員快速啟動(dòng)設(shè)計(jì)工作的技術(shù)框架。

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??? 此外，板面布局與制造方面的成本也不容忽視。重要的不僅在于器件數(shù)量，還包括器件的工藝間距。小間距器件的系統(tǒng)級(jí)板面布局與制造更加昂貴。

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??? 在上表中，我們看到，價(jià)格通常與內(nèi)核數(shù)據(jù)以及片上外設(shè)成反比。集成組件越多，器件的價(jià)格顯然也就越貴，設(shè)計(jì)工作的強(qiáng)度也越大，因?yàn)檫@些產(chǎn)品通常適用于最先進(jìn)的便攜式系統(tǒng)。舉例來說，同時(shí)集成 了DSP、ARM 以及協(xié)處理器的高性能應(yīng)用處理器是唯一被評(píng)為“中”的門類。

低功耗應(yīng)用

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??? 即便擁有上表的幫助，我們也很難為既定應(yīng)用選出最適合的器件，總免不了要做出一定的設(shè)計(jì)折中平衡。不過，我們可以簡單探討一下應(yīng)用要求，或許可以提供一些指導(dǎo)。

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??? 要求低功耗特性的應(yīng)用種類越來越多，我們可將這些應(yīng)用分為以下幾個(gè)大類：

• 采用插入式電源或 USB 供電的產(chǎn)品，如車載免提套件、GPS dongle、觸摸屏或喇叭擴(kuò)音器等；
• 消費(fèi)者希望電池能工作至少一整天的應(yīng)用，如無線麥克風(fēng)、樂器、降噪耳機(jī)、無線打印機(jī)，乃至多參數(shù)便攜式醫(yī)療儀器等；
• 電池可工作長達(dá)兩個(gè)星期的應(yīng)用，如錄音機(jī)、電子書、門禁指紋驗(yàn)證或單參數(shù)便攜式醫(yī)療儀器等。

??? 還有一種應(yīng)用分類方法就是根據(jù)功能性進(jìn)行區(qū)分。便攜式設(shè)備會(huì)考慮到高精確度問題。比方說，樂器或音頻產(chǎn)品會(huì)需要較廣的動(dòng)態(tài)范圍。這種精確度與動(dòng)態(tài)范圍通常需要采用 TI TMS320C674x DSP 這樣的浮點(diǎn)處理器，這是一款業(yè)界功耗最低的產(chǎn)品，功耗可低至 15 mW。

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??? 現(xiàn)在我們不妨考慮一款采用豐富特性 GUI 的應(yīng)用。這時(shí)我們應(yīng)當(dāng)選擇一款支持 ARM處理功能的器件。由于具備諸如 OMAP-L1x 這種集成了 ARM 和 DSP 功能的產(chǎn)品，我們可以獲得足夠強(qiáng)大的功能，以便既能運(yùn)行 GUI，又能滿足復(fù)雜的處理任務(wù)的要求。

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??? 消費(fèi)者會(huì)要求某些產(chǎn)品具備超長的電池使用壽命，如便攜式錄音機(jī)／播放器、電子書閱讀器、便攜式麥克風(fēng)甚或是家用腕表式醫(yī)療儀器等。支持低功耗待機(jī)模式的 C550x 等處理器能高效利用深度休眠模式（功耗低至 6.8 μW）與待機(jī)模式（功耗低至 0.5 mW），因而可實(shí)現(xiàn)數(shù)周的電池使用壽命。

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總結(jié)

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??? 如本文所述，低功耗處理器的所有選擇參數(shù)都是密切相關(guān)的。通常說來，性能越高，功耗就越大，不過現(xiàn)在，產(chǎn)品功耗已經(jīng)普遍降低，因此無論您有何種應(yīng)用需求，幾乎都能找到一款適用的低功耗處理器。

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??? 如欲了解更多詳情，敬請(qǐng)?jiān)L問：http://focus.ti.com.cn/cn/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=dsp§ionId=2&tabId=2232&familyId=1622。