Portable Products为低功耗设计选择理想的处理器

过去，选用低功耗CPU通常意味着需要牺牲功能、降低时钟运行速度，或需要等待新型低功耗技术的推出才能降低待机和工作功耗。现在，这种情况已得到了彻底改观，处理器产业发生了翻天覆地的变化。处理技术的不断发展，创新型芯片设计和高精度电源管理软件的不断进步，为设计人员带来了全新的低功耗处理器系列产品，使设计人员再也不用牺牲系统设计性能。当然，没有哪种产品是十全十美的，因此工程师必须认真考虑系统需求，分析不断丰富的低功耗处理器产品，选出最能满足其应用要求的解决方案。

本文对采用不同处理器架构的器件在功耗、性能、集成度、上市时间及价格等设计标准上的表现进行了比较。了解处理器信息可实现两大目标：一是帮助系统设计人员了解市场上最新的处理器类型，其中有些可能对他们而言是相对不太熟悉的新产品；二是在可选产品日趋丰富的情况下，可进一步帮他们缩小为既定设计选择最佳芯片的范围。 检验标准

表1即对采用不同低功耗处理架构的器件进行了五方面的比较，包括：功耗、性能、集成度、上市时间及价格。这五个设计标准之间都是彼此密切相关的。例如，在芯片上集成多个内核、模拟特性、大容量存储器或众多外设等多种功能有助于降低系统总功耗与成本，并显著缩短产品上市时间。但是，这样的高集成度在某种程度上又会增加功耗，并使编程更复杂，从而延长产品上市时间。

功耗

对目前众多设计而言，功耗是最重要的标准。在便携式产品中，更长的电池使用时间总是更容易获得消费者青睐。在通信基础设施应用中，功耗转换越低，热量耗散就越少，但散热组件可能会限制通道密度及其它特性。此外，有些设计对功耗有严格限制，如采用USB供电的产品或使用汽车电池的车载配件，这种应用就限定仅能有几毫瓦的运行功率。

设计师应该从系统的角度更好地认识功耗。片上外设的正确组合有助于进一步降低总体系统功耗，这不仅是因为片外器件会消耗更多的功率，还因为在PCB板上的引线之间传输数据所消耗的电力要比在器件内部传输数据所消耗的电力多得多。

就单独的器件而言，其能源效率取决于工艺技术的固有优势，不过高级处理器除了先进工艺之外，还有众多其它功能。功耗可分为两大模式：一是工作功耗，也就是数据处理期间晶体管转换与工作时的功耗；二是静态功耗，即不进行数据处理工作或工作受限以及各部件进入休眠模式等时消耗的功耗。

工作状态的电源管理可采用多种方案：

动态电压与频率缩放(DVFS)：采用DVFS技术时，软件指令可根据工作环境所需的性能降低时钟速率与电压。例如，尽管多媒体处理器ARM的运行速度可达600MHz，但并不是所有情况下都需要如此高的速率。软件可在预定义的工作性能点上做出选择，让处理器以特定速率运行。

自适应电压缩放(AVS)：芯片制造工艺会导致不同部件有着不同的性能分布，可利用这一特点来实施AVS技术。也就是说，在既定频率要求下，有些所谓"热"器件的产品可以较低电压实现较高性能，而"冷"器件则做不到这一点。在此情况下，处理器能感测其自身的性能级别，并相应调节电压，以对处理、温度及芯片衰减等方面的变化进行补偿。

动态电源转换(DPS)：该技术可确定器件某个部分是否已完成其当前任务、目前是否还需要它继续工作，以及何时可让它进入低功耗状态。

如果不进行数据处理或处理工作受限时，选定部件便可进入极低的功耗模式，系统等待唤醒事件，这时静态电源管理就会启动。通过众所周知的静态漏电管理方案来实现静态电源管理，可支持多种不同的低功耗模式，其中包括待机模式，以及关断模式。低功耗静态模式的选择取决于存储器的维持能力和／或其是否需要快速唤醒。

凭借上述特性，大多数低功耗处理器规定的待机功耗约为15mW，且峰值工作功耗低于
400mw。德州仪器公司推出的TMS320C55x等定点DSP的功耗更低，尽管集成了FFT协处理器，且存储器容量达320kB，同时还支持I／O外设，但其待机功耗仅为0.5mW，峰值工作功耗为75mW。

表1中的大多数器件均实现了低功耗特性，在功耗等级方面评级为"优"。表中列为"良"的产品性能较高，通常采用多个内核，因此功耗稍高。 

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性能

强大的处理能力非常重要，它可以实现全新的功能，提高单位成本或面积的通道数量，加快数据速率，增加密度，实现更高质量的压缩方法，从而实现特色化的终端产品。

在考虑产品性能时，除了MHz这一指标之外，工程师还应考虑并行处理能力。通过不同方式集成DSP、ARM或协处理器的芯片可大幅提高性能。OMAP平台就是一个很好的范例。工程师可将代码分组，分别运行在最适合的内核上。即便器件仅采用一个内核，也能支持并行处理功能。例如，低功耗定点TMS320C640x系列就采用单颗CPU，能够支持300MHz频率并行运行的八个指令单元，因此处理性能非常高。 除了集成处理器件之外，集成其它系统部件也有助于大幅提升性能。例如，足够的片上存储器容量意味着可在CPU需要频繁吞吐数据的情况下大幅加快代码运行速度。

不管开发什么类型的系统(多媒体设备或是功能性有限但需要尽可能降低功耗的设备)，设计人员都能选择到一款恰好能够满足所需处理能力的处理器。

在表1中，性能从"中"到"优"的评级主要取决于既定器件有多少个内核和片上设备。不过，设计工程师通常必须在性能与功耗之间做出折衷平衡。

集成度

显然，集成度与性能密切相关。如前所述，某些芯片技术使设计工程师能在同一芯片上集成DSP、ARM9或协处理器或集成全部。

不过，从集成的角度来说，目前的器件上还可以集成其它重要的系统部件。集成存储器就是一个很好的例子，其不仅有助于降低总体系统价格、节约系统功耗，而且还能简化开发。一些低功耗处理器可直接在芯片上集成容量高达500KB的存储器，如TI的OMAP-Llx系列。很多时候，无需使用外接存储器。

不过，当前的存储器可集成的外设种类越来越丰富，其中也包括模拟部件。如逐次逼近型(SAR)ADC，它可用于实现消费类电子设备中常见的触摸显示屏接口；以及通用并行端口(uPP)，可用于直接连接至系统上的各种其它部件，如高速ADC或FPGA等。就当前的低功耗处理器而言，用户还能通过以太网MAC、USB 2.0、支持海量存储的串行ATA(SATA)、用于支持WLAN等I／O功能的SDIO、LCD控制器，以及视频端口接口等获得面向网络应用的片上支持。

在表1中，集成度一项评分为"优"的器件均采用多个内核或协处理器，而且还支持多种外设；评分为"良"的器件仅支持单内核，但同时支持多种存储器与外设；而评分为"中"的器件则支持较少的外设，不过它们的优点在于功耗低，而且成本较低。

上市时间

随着消费类电子产品的技术创新速度不断加快，产品寿命也从几年缩短至几个月，因而产品上市时间日益重要。一旦一家公司推出最新的产品，几个月或是几周后立即就会有竞争对手跟进推出具有更新特性、更吸引消费者的新产品。

产品投放市场的速度与集成度密切相关。显然，如果部件能提供较高的集成度，那么工程师所需的开发和故障调试时间就可以大幅缩短，因为不必再开发用于协调多个芯片所需的接口和数据交换机制。此外，PCB互连和不同驱动之间的协作问题也得以减少。

不过，如果芯片上集成的内核或外设太多，工程师就需要适当的软件工具以操控这些部件。例如，如果集成了ARM和DSP，好的工具包就应当有助于在统一的编程环境中开发需要两个内核资源的应用。此外，工程师还应了解处理器厂商能否提供其它工具，如针对各种内核优化的第三方算法库，支持Matlab的Simulink或NI公司的LabVIEW等第三方工具，以及评估／开发电路板乃至各种操作系统和开源选项等。这些因素对缩短开发时间、按计划推出产品等都非常重要。

TMS320C674x等浮点器件的编程复杂性较低。在众多情况下，开发人员都能在台式PC上用Simulink和LabVIEW等熟悉的工具编写代码，并将代码移植到DSP上，而且只需做极少的修改，甚至根本无需修改。

不过，总体上可以肯定地说，芯片的性能越高，所需的开发时间就越长。如果是需要较高性能的复杂产品，那么在代码开发和故障调试方面显然就需要更长的时间。 最后，工程师必须始终提前考虑到为其下一代产品做好准备。在某些市场上，标准变动非常快，而企业又希望快速占据市场。这时，设计工程师就必须构建出能面向未来市场的产品，并可根据新标准或新增特性的要求及时实现升级。因此，了解不同的处理器系列非常重要，需要检验其在软件与引脚兼容方面是否存在问题，如果需要提高计算能力的话，是否能在尽可能少地改动整体系统设计和代码的情况下实现性能的提高。

表1中，在上市时间项评分为"优"的产品在软件与硬件方面的支持都非常丰富。评分为"良"的产品集成度较低，需要更多外设或存储器，相关的设计工作也更多。 [p]

价格

在评估价格这一标准时，工程师不应仅仅着眼于芯片的价格。芯片本身的价格正在不断下降，以至于现在大多数低功耗处理器的成本都不足15美元。依据器件的具体特性，价格可降低至4美元。对消费类应用来说，每个部件的成本都很关键。但对于通信基础设施或商业应用来说，单个部件的成本并不太重要，拥有成本与效率才是更应关注的问题。

工程师更应关注整体的系统成本问题。还以存储器为例，如果产品的所有算法运行都采用片上存储器，那么仅通过减少不必要的外部存储器芯片就能节约1～2美元。如果集成了SATA、以太网、存储器、USB 2.0以及ARM9等，就能显著节约系统成本(可高达9美元)。

除了芯片的价格之外，工程师还应评估开发的简易性，这包括软硬件开发工具、技术支持、培训、第三方支持、文档、工程设计时间／开销以及NRE开发费用等。加速开发进程有助于实现更高质量的终端产品，因为宝贵的时间与金钱可用于实现产品的差异化，而不是花费在构建设计基础设施上。

因此，工程师不光要考虑开发电路板与仿真器的价格，还要考虑其质量，以及能多快地提高开发速度。高质量的集成开发环境(IDE)与编译器使设计人员能够更全面地了解设计情况，并加速产品上市进程。工程师应关注哪些芯片厂商能提供免专利费的操作系统，哪些第三方合作伙伴能提供经过验证的、可直接投入使用的代码，如在基于DSP的设计中用到的编解码器等。此外，还应注意可以帮助设计人员快速上手设计工作的技术框架。

此外，电路板布局与制造方面的成本也不容忽视。重要的不仅在于器件数量，还包括器件的工艺间距。小间距器件的系统级板面布局与制造更加昂贵。

表1显示出，价格通常与内核数据以及片上外设成反比。集成的部件越多，器件的价格显然也就越贵，设计工作的强度也越大，这些产品通常适用于最复杂的便携式系统。举例来说，同时集成了DSP、ARM以及协处理器的高性能应用处理器是唯一被评为"中"的架构。

低功耗应用

即便拥有表1的帮助，工程师也很难为既定应用选出最适合的器件，总免不了要做出一定的设计折衷平衡。不过，通过对应用要求的简单探讨，或许可以提供一些指导。

要求低功耗特性的应用种类越来越多，这些应用可被分为以下几个大类：

采用插入式电源或USB供电的产品，如车载免提套件、GPSdongle、触摸屏或喇叭扩音器等；

消费者希望电池能工作至少一整天的应用，如无线麦克风、乐器、降噪耳机、无线打印机，以及多参数便携式医疗仪器等；

电池可工作长达两个星期的应用，如录音机、电子书、门禁指纹验证，或单参数便携式医疗仪器等。

还有一种应用分类方法是根据功能性进行区分。便携式设备会考虑到高精度问题，比如，乐器或音频产品会需要较宽的动态范围。这种精度与动态范围通常需要采用TI TMS320C674x DSP这样的浮点处理器，其功耗可低至15mW。

还有一些依赖于多功能GUI的应用。这类应用应当选择一款支持ARM处理功能的器件。例如OMAP-L1x产品，它集成了ARM和DSP功能，具备强大的处理能力，可以在运行GUI的同时完成复杂的处理任务。

消费者会要求某些产品具备超长的电池使用寿命，如便携式录音机／播放器、电子书阅读器、便携式麦克风，以及家用腕表式医疗仪器等。支持低功耗待机模式的C550x等处理器能高效利用深度休眠模式(功耗低至6.8μW)与待机模式(功耗低至0.5mW)，因而可实现数周的电池使用时间。

结语

如本文所述，选择低功耗处理器时需考虑的所有标准都是密切相关的。通常说来，性能越高，功耗就越大，不过现在，产品功耗已经普遍降低，因此无论您有何种应用需求，几乎都能找到一款适用的低功耗处理器。