移动设备中的功率管理(三)

移动设备的功能和能源工程师的方案之间的差距在不断增大。《移动设备中的功率管理》第二章“从多层面看节能理论”，深入讨论了移动设备设计中的功耗、能源类别、工艺和晶体管技术及包装等多个问题。第三部分则讨论了节能技术的各个层级。

节能技术的层级

节能方法是一种包含了工艺技术、包装、电路和模块设计、片上系统(SoC)设计、工具和系统及应用软件，来高效地利用系统可获得能源的整体性方法。

在上世纪的最后25年里，服务器、台式电脑、笔记本电脑和手持设备的性能和功能都实现了很大提升。这些提升让人们更加渴望更快的运行速度、更强大的功能、更低的价格和更小外形及更好的便携性。

要确保新系统能够支持高端应用而不会大大提高能源消耗，高能效的设计是至关重要的。这就要求设计人员反复考虑如何在给定的能量下实现更好的性能。

要开发出这样的高能效平台，就必须综合软件、处理器、硬盘、电源、无线电和显示屏等系统所有常见的组成部分。一个整体性方案必须包括高端的节能微架构、业界领先的硅技术和制造工艺、世界一流的研发、节能型技术以及无以匹敌的生态系统构建能力(包装、软件和工具等)。表格1展示了各个层次设计上所用的一些特殊技术。

表格1

要解决涉及到大量数据的复杂的功率管理问题，一个常见的方法是将问题分解成多个可处理的部分，然后一次解决一个部分。如果问题的各个部分都很小，那么整个问题就可以处理掉。当然，这里的诀窍是要将所有部分都重新整合到一起，为最初的问题提供解决方案。这个最终的整合步骤，往往容易被忽视，因此，由于组织上的失误，再好的技术也无法解决问题。

这个方法已经被长期用于复杂的工程设计项目中，而现在也日益出现在低功率设计领域。分层式设计可以大致被分成三大类：计划、执行和汇集。计划也被称为“自顶向下的”设计，是将整个设计分解成被单独执行的各个块。计划是至关重要的，因为它设定了整个项目的基线，必将带来一个能够在时间、尺寸、功耗等要求上都达到项目目标的最终设计。

图5：分层式设计。

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执行和汇集，有时也叫“自下而上”的设计，是执行各个区块详细设计的过程。汇集是将设计中的所有区块都集结到一起，来形成最终的产品。在这个过程中，常常有在计划过程中需要考虑的预先存在的IP区块(如存储器和内核等)，需要在汇集步骤里被添加到设计中。另外，在最终芯片的汇集过程中添加“胶合逻辑”是更有效的，而不是在结构中添加，因为它有一个需要在“自下而上式”设计过程中执行的单独区块。

设计人员开发和采用分层式设计，是有多个原因的。其中的主要原因一般是由于复杂的处理，以及缩短大型设计成本回报时间的需要。利用一个分层式设计方法，设计可以被不同的团队在不同的地点来完成，形成整个产品并行设计的场面。

另外，SoC设计和知识产权(IP)复用方法也要求在芯片设计中采用分层式设计，因为它们要将预先存在的区块加入到设计过程中。图6展示了一个SoC区块图示例，以及构成SoC的各个模块。

图6：典型SoC区块图示例。(资料来源：www.freescale.com:i.MX集成型便携式系统处理器)

例如，一个SoC包含了硬件和控制内核、外围设备及接口的软件。SoC设计流程的目的，是要并行开发硬件和软件(图7)。

大部分SoC从从预先认可的硬件IP块和对其进行控制的软件设备驱动器开发而来。硬件区块被EDA工具整合到一起，而软件模块则由一个软件集成式开发环境集成。

设计流程中的一个关键步骤是仿真：基于一个现场可编程门阵列(FPGA)，硬件被映射到一个模仿SoC的仿真器上，而软件模块则被导入到仿真平台的存储器中。设置之后，仿真平台会让SoC的硬件和软件能以最接近全速的速度被测试和调试。

在仿真完成后，SoC的硬件会在IC制作前遵循其设计的位置和布线状态。在将SoC发到工厂进行生产之前，设计人员会验证SoC的功能正确性。这个过程叫做验证。验证过程中会采用硬件描述语言。随着SoC复杂性的日益提高，验证人员开始运用System Verilog和System C等硬件验证语言。验证过程中发现的漏洞，会被报告到设计人员那里。一般来说，SoC设计的时间和精力有70％是花在了设计的验证上。我们将在本书随后的篇章里深入讨论低功率SoC设计、工具和标准的某些方面。

图7：软件和硬件协同设计。

采用分层式设计还有一些其它不那么明显的因素，而这些因素又是由于当前传统型点工具设计流程的限制所导致的。很多设计团队被迫采用分层式设计，仅仅是因为其工具流程的限制。比如，市场上领先的逻辑合成系统，处理门区块的能力都有限。在其它情况下，设计人员利用分层式设计的原因，则是为了通过确保某个设计区块的整合，来达到设计的时间要求。这并不是一个最佳的方法，因为其目的仅仅是为了控制设计中很小的几部分，却牺牲了设计的整体。

在接下来的篇章里，我们将从工艺和晶体管技术开始，讨论便携式设备低功率设计的分层式方法。

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