高能效系统的功耗优化技术

摘要：本本将叙述了各种系统选择方案及其对系统功耗的影响，全面介绍了处理器电源管理功能，并讨论总系统功耗的一些重要促进因

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关键词：处理器；功耗；TI；Sitara

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.016

高能效系统的组成模块

有几种技术可以降低运行和静态功耗。一般而言，对功耗具有最大影响的因素有四个：处理器、DDR内存、显示和电源设计，如图1所示。通过选择正确的系统组件和设计动态软件架构，可以实现功耗优化。

如图1，该图假设85%功率设计效率、DDR3内存和有源显示。

处理器

TI的Sitara AM335x处理器拥有调试灵活的电源管理架构。处理器和内核可根据具体应用自主调节，以实现最佳性能和功率配置。

图2所示电源、重置与时钟管理（PRCM）模块，以及Linux电源管理软件堆栈均可用于优化AM335x处理器功耗。它帮助控制各模块，从而最小化处理器的功耗。在控制不同工作性能点（OPP）时，电压域至关重要。OPP是处理器电压和频率的组合，而用户可对其进行控制以实现最佳处理器功耗，从而满足所有给定性能要求。

电压控制与电压调节器为外部器件，通过电源管理IC（PMIC）来实现。系统处于活跃状态时，可关闭单个功率域及所有其模块。同样，还可以对特定模块进行控制。当一个模块可用时，另一个模块在不使用时可完全关闭。

TI的Sitara AM335x处理器支持MPU和CORE的单独电压域。由于拥有不同的电压域，可对MPU和CORE OPP进行配置，并单独控制。

根据不同的应用要求，可对MPU OPP进行动态更改。AM335x处理器支持5个不同的工作点：OPP50、OPP100、OPP120、Turbo和Nitro。由于具有10MHz到1GHz的宽频率范围，它可以提供灵活的配置。通过专用处理器DPLL，可支持定制处理器频率。图3显示了5个不同支持OPP下的MPU电压和性能。

CORE OPP支持2个电压工作点，并相互连接频率集。如果低CORE OPP支持的总线吞吐量足以满足系统性能要求，则可使用低CORE OPP，更好地实现节能。图4显示了CORE OPP电压和性能工作点。

DDR内存

TI的Sitara AM335x处理器内存控制器支持许多DDR内存—LPDDR1、DDR2、DDR3（L）（RS）。每个DDR选项的有效性时间由内存厂商决定，内存选择对总系统功耗的影响度可达20%。

在一些应用中，高DDR速度是一个基本要求，其要求使用VTT端接来实现更好的信号完整性。这种更高的信号完整性的代价是更高的功耗。当单个DDR3/DDR3L器件用于AM335x处理器并且PCB板设计遵行TI推荐的PCB设计原则时，可避免DDR VTT端接。Sitara AM335x处理器产品说明书介绍了实现这种解决方案的PCB设计原则。

显示

可以为功耗优化专门定制几种基于显示应用的方法。这种处理器还拥有一个备选电阻式触摸控制器和SGX图形加速器。使用AM355x PRCM模块以后，所有这些子系统均可在闲置时关闭。

我们可以开发一些应用程序，以在一段时间或者触发某个手动事件以后关闭显示器面板，其最高可节省23%处理器功耗。通过外部事件，例如：触摸或者接近传感器等，可以重新开启显示器。

此外，还可以通过调节显示器的分辨率、刷新率和亮度来实现更高的系统功耗优化。

电源设计

TI根据不同的应用要求，为AM335x处理器提供众多PMIC解决方案。我们可以选择不同的PMIC解决方案来优化这种解决方案。如图5所示，所有PMIC解决方案均支持各种处理器频率和内存配置。除此以外，一些附加功能还可直接降低解决方案的系统成本。

TPS65217x支持集成电池充电器的便携式解决方案。利用这种PMIC解决方案，可支持基于显示器应用的背光。TPS65910x支持范围为300MHz～1GHz，并提供高级电源管理功能，例如SmartReflex等，而RTC模式支持则可帮助实现灵活的电源管理架构。第三种版本即TPS650250，是一种简单、低成本的解决方案，支持OPP50和OPP100。

选择功率IC组件时，需在板尺寸、BOM成本和效率之间做出权衡。功率IC效率可极大影响系统功耗。各种功率IC组件的功耗会影响总系统功耗。由于应用种类繁多，并且板成本和尺寸目标也不同，很难对此进行量化。功率IC产品说明书说明了某些工作条件下的效率曲线。理解目标输入和输出电压下的效率，并选择能够达到系统功耗目标的正确DC-DC转换器，对于高能效系统设计非常重要。

处理器功耗优化实践

功耗延迟权衡

TI的Sitara AM335x处理器拥有数种深度睡眠（DS）模式，其与内核处理器的功耗成正比。决定DS模式的因素包括：失效时间、手动撤销和连接内核的活跃器件。最深度睡眠（DSO）可实现最低的内核功耗，但是它唤醒系统的延迟也更长。作为对DS模式的补充，待机模式拥有更短的唤醒延迟。图6显示了每种功耗模式的详细情况。

高能效显示器应用

为了让您更好地理解我们所讨论的内容，本小节将为您介绍一个为高能效解决方案而优化的显示器型应用。在这个支持Wi-Fi的应用中，TI的Sitara AM335x处理器用于处理来自不同端节点的数据。如果USB和以太网子系统未用于该应用，则可通过灵活的PRCM架构关闭这些模块。

1、整合来自各节点的数据，这些端节点通过I2C和Wi-Fi连接至处理器。

2、Wi-Fi通过SDIO连接，而GPIO则用作唤醒源。

图7所示状态图描述了从活跃模式到低功耗模式的系统过渡情况。在活跃模式下，处理器在1GHz下工作，并且开启显示器和图形引擎。当高网络活动减少并且无用户界面（UI）活动超过10秒时，系统便过渡到低功耗状态。任何UI活动均可激活系统，例如：接近传感器或者触摸事件。

在低功耗模式下，显示器和图形引擎模块关闭。除闭关显示器以外，处理器频率也可降低至10MHz。每一段时间（例如：30分钟）收集一次数据以后，处理器挂起至深度睡眠状态。在挂起状态下，DDR处于自我刷新状态。Wi-Fi事件可通过GPIO唤醒处理器，然后让处理器恢复至低功耗模式下。

处理器可以直接从活跃模式挂起至深度睡眠状态；在挂起模式下，任何唤醒事件都会让系统恢复至活跃状态。

结论

随着能源成本的不断增长，系统自动化成为大势所趋。投资这些系统要求一种可扩展型解决方案，其能够在低功耗/性能和高性能之间切换。TI的Sitara AM335x处理器拥有灵活的架构，可为计算密集型应用提供高处理能力。通过各种功耗和性能调节功能，用户可受益于智能整体产品。这些产品专为高效率而设计，拥有较高的竞争优势。