消费者对采用多媒体嵌入式处理器的产品的需求迅速增长，要求高性能和低功耗。但是，增加的计算复杂性和更快的时钟速率是高性能处理所必需的，很难通过战术节能设计方案来实现。我们需要的是一种战略性的方式来管理功耗，以优化特定嵌入式应用程序的性能和功耗。这种方法是可以实现与Blackfin处理器家族固有的动态电源管理能力。

Blackfin dsp是定点双16位mac /双40位alu数字信号处理器。它们是功率敏感型多媒体应用程序的理想选择，因为它们支持基于系统需求调整性能的多层电源管理方法。让我们来看看嵌入式系统中的一些关键电源考虑因素，并了解Blackfin家族如何使用动态电源管理来解决这些问题。

有哪些典型的节能策略?

1. 改变频率和电压

现代dsp通常在使用CMOS FET开关的过程中设计，这些开关在稳态期间要么完全打开(并且负载非常轻)，要么完全关闭(除了泄漏电流)。静态功耗(处理器空闲时的静态功耗)通常远低于器件主动开关和电压变化时在非常高的开关频率下由FET负载电容充放电引起的动态功耗。

存储在器件等效负载电容中的电荷(Q)等于电容乘以存储在其上的电压(即DSP的核心电源电压V(核心))，

Q = CV(核心)

由于器件给该电容充电的电流定义为电荷相对于时间的变化率，因此动态电流I(dyn)由式给出

I(dyn) = dQ/dt = C(dV(core)/dt)

电容器电压随时间变化的速率，dV(芯)/dt，是电容器充电和放电速度的度量。对于给定的时钟频率F，完成充电或放电的最快时间是一个时钟周期。因此,

dV(铁芯)/dt = V(铁芯)(F)

I(dyn) = C(dV(核)/dt) = CV(核)F

最后，动态功耗与V(芯)× I(dyn)成正比，或

P(dyn)µCV(core)2F

由此可见，动态功耗与工作电压的平方成正比，与工作频率成线性关系。因此，降低F将线性降低动态功耗，而降低V(芯)将指数降低动态功耗(见图1)。

考虑图1中三个不同的DSP功能组合，它们都有非常不同的性能需求:

例如，F0(x)可能是一个视频处理算法，F1(y)可能是一个监控模式(其中DSP正在收集数据并进行最小的处理)，F2(z)可能是一个从串行端口传输压缩视频的过程。

在功率敏感型应用中，仅改变频率(而不是电压)在DSP具有较长时间的监测活动时是有用的。也就是说，如果DSP正在等待外部触发器，则不需要以最高频率运行。

然而，在一些电池供电的应用中，仅仅改变频率可能不足以节省电力。例如，如果一个应用程序正在运行三段代码，减少其中任何一段的操作频率意味着特定代码段的执行时间将更长。但是，如果DSP运行时间较长，那么当这三个部分完成时，将消耗相同的功率。例如，如果频率降低了1 / 2，代码执行的时间将是原来的两倍，因此没有实现净节能。

另一方面，通过降低电压和频率可以实现相当大的电力节约。这种节省的电力消耗可以用下面的公式来建模:

P (R) / P (N) = F (F (CR) / (CN)) (V (DDR) / (DDN)) (2) (T (FR) / T (FN))

在哪里

• P(R)/P(N)为降低功率与标称功率之比

• F(CN)为标称核心时钟频率

• F(CR)为降低后的核心时钟频率

• V(DDN)为标称内部电源电压

• V(DDR)为降低后的内部电源电压

• T(FR)是F(CR)的持续时间

• T(FN)是运行在F(CN)的持续时间

例如，图2显示了一个具有以下特征的场景:

• F(CN) = 300 MHz

• F(CR) = 100mhz

• V(ddn) = 1.5 V

• V(ddr) = 1.0 V

• T(fr) = 3

• T(fn) = 1

因此

(P (R) / P (N)) =(100/300)(1.0/1.5)(2)×(3/1)= 0.44→56%的储蓄!

由于Blackfin处理器不仅具有可编程的工作频率，而且还允许核心电压随频率变化而变化，因此在较低频率和较低电压下运行一段代码时，即使执行时间较长，也会消耗较少的功率。电压-频率转换在ADSP-BF532上自动处理，而对于ADSP-BF535，遵循一个简单的顺序。当然，重要的是要记住，开发人员必须确保在任何系统时钟频率变化期间连接到外部系统的外围通道的完整性。

一个可视电话的应用说明了如何改变工作频率和工作电压的能力可以被利用来大大延长电池寿命。例如，如果仅在视频连接期间需要最大性能(最大核心时钟频率)，则在使用手机进行语音交易时可以将核心频率降低到某个预设值。对于仅操作时间不敏感的增值功能(例如，个人组织者)，频率可以进一步降低。在Blackfin处理器上，每个锁相环频率转换可以在不到40微秒的时间内完成。

实现

黑鳍时钟产生装置

时钟产生单元包含锁相环(PLL)和相关控制电路，是Blackfin处理器中动态电源管理的一个组成部分。锁相环是高度可编程的，允许用户动态控制处理器的性能特性和功耗。

图3显示了ADSP-BF532时钟产生单元的简化框图。输入晶体或振荡器信号(10至33 MHz)被应用到CLKIN引脚。然后锁相环将这个信号乘以1到31倍的可编程因子。然后，单独的A和B分频器独立生成核心时钟(CCLK)和系统/外设时钟(SCLK)频率。控制逻辑保证系统时钟频率不会超过核心时钟频率。

这种方法的最大优点是CCLK和SCLK可以“即时”更改，周期开销很小。因此，为了满足不同代码段的不同性能要求，设计人员无需考虑改变时钟频率。从设计人员的角度来看，动态功耗的线性节省并不需要任何实现成本。

时钟产生单元的另一个特点是它可以被绕过，以允许CLKIN信号直接通过CCLK。这种能力允许在非活动操作间隔期间使用非常低频率的CCLK，以进一步降低总体功耗。

2. 灵活的电源管理模式

许多应用程序涉及一组操作模式，这些模式在处理需求方面差别很大。考虑图4中的系统，其中电池供电的传感器包含充当中央处理器的DSP。其中一个DSP外设可以用来采集周围环境的参数。在这种对处理能力要求非常低的“模式A”中，DSP可能会处理遥测数据的spor c数据包。当它读取了足够的数据来调用计算算法时，DSP将进入“模式B”，这是一种处理密集型计算模式。很可能还存在“模式C”，以便在不需要传感器信息和不需要处理的情况下提供超低功耗。

Blackfin处理器有四种不同的工作模式(对应于四种不同的功率配置文件)，提供可选择的性能和功耗特性。表1总结了每种模式的操作特性。

表1。操作特征

操作模式	核心的时钟	系统时钟	电能节约
全面	启用	启用	最低
有源(锁相环旁路)	启用	启用	媒介
睡眠	禁用	启用	高
深度睡眠	禁用	禁用	最大

全面的模式

全速是Blackfin的最高性能模式。在这种执行状态下，处理器和所有启用的外设都以全速运行。PLL是启用的，所以CCLK以CLKIN的倍数运行。

主动模式

在活动模式下，PLL被启用但被绕过，因此CCLK直接来自CLKIN。由于CLKIN来自不大于33 MHz的外部振荡器输入，因此该模式可显着节省功耗。系统时钟(SCLK)频率也降低了，因为它永远不会超过CCLK。在这种模式下，锁相环被绕过，改变锁相环乘法器比是安全的;但是，直到DSP回到Full-on模式，更改才生效。在主动模式下，不仅可以绕过锁相环，还可以禁用锁相环，以增加功率节省。

睡眠模式

休眠模式通过禁用CCLK来显著降低功耗，CCLK会使DSP内核闲置。但是，SCLK仍然是启用的，因此数据传输仍然可以在L2内存和外设中进行。为了退出睡眠模式，Blackfin提供了一个DSP核心唤醒功能，该功能独立于核心的事件控制器运行。

深度睡眠模式

深度睡眠模式通过关闭PLL、CCLK和SCLK，最大限度地节省功耗。在此模式下，处理器核心和除实时时钟(RTC)外的所有外设都被禁用。在深度睡眠模式下，DEEP_SLEEP输出引脚被断言，以允许外部电源模式控制。深度睡眠模式只能通过RTC中断或硬件复位事件退出。RTC中断导致处理器转换到活动模式;硬件复位启动硬件复位序列。

3.独立的功率域

Blackfin处理器支持多个电源域，包括一个专用的锁相环(PLL)电源域，一个实时时钟(RTC)，可以由一个小的外部硬币电池供电，以及各种外设的单独域。核心处理器也有自己的电源域。使用多个电源域可最大限度地提高灵活性，同时保持与各种商用设备(如SDRAM和SRAM存储器)的直接连接。如图5所示，单独的功率域允许Blackfin的核心电压在不中断与外部设备连接的情况下变化。这是一个关键的优势，因为——如上所述——处理器消耗的功率与其工作电压的平方成正比。

4. 使用高效的处理器架构

另一种经常被忽视的降低给定应用程序功耗的方法是为该应用程序选择高效的处理器体系结构。诸如专用指令和快速内存结构等特性可以通过减少总体算法执行时间来显著降低功耗。此外，对功耗敏感的应用程序必须有效地构建算法，利用硬件循环缓冲区和指令/数据缓存等本地体系结构特性。这一点很重要——复杂的算法通常消耗更多的功率，因为它们使用更多的资源。如果一个算法被优化，它需要更少的指令来执行。越早完成所有步骤，越早降低核心电压和频率。

在支持选择性禁用未使用功能块(例如片上存储器、外设、时钟等)的架构中，功耗可以进一步优化。

Blackfin处理器通过允许对每个外设的时钟输入进行动态调度来提供额外的功率控制能力。这样可以更好地控制功耗。此外，内部时钟只路由到设备的启用部分。例如，在ADSP-BF535上，256KB的片上L2内存由8个32KB的存储库组成。这些银行只有在被访问时才会被计时，这一特性可以显著节省电力。

5. 分析工具

Blackfin VisualDSP++工具套件提供了另一种优化功耗的方法，可以对应用程序进行分析，以确定算法每个部分的确切处理要求。这些工具允许系统设计人员实时地量化在任何给定代码段上花费的时间。在电池供电的应用中使用这种技术，可以修改核心和系统频率，以及核心电压，以“匹配”执行任务所需的最小值。

6. 智能电压调节

从ADSP-BF532开始，Blackfin处理器提供片上核心电压调节。第一款Blackfin处理器ADSP-BF535需要一个外部电源管理芯片来动态控制核心电压水平。ADP3053是支持ADSP-BF535电源管理的配套芯片。DSP将使用多达3个引脚来控制由ADP3053提供的功率水平。该部分允许100毫伏的核心电压增量，从0.9 V到1.5 V。此外，ADP3053还提供低噪声锁相环电源。

结论

使用dsp的设计人员不必为了性能而牺牲功率。有许多选择可以帮助他们平衡这些经常相互冲突的需求。通过战略性地而不是战术性地看待电源管理，可以实现显著的节省。Blackfin处理器家族为实现低功耗、高性能嵌入式应用提供了一个极好的平台。