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關鍵字 Blackfin 低功耗 動態電源 導讀: 電子產品作為能耗大戶是開展節能的主戰場，各種電子產品運行的電能消耗不僅加深了電能緊缺的現狀，而且數量龐大的便攜式電子產品每年耗用的各種電池對環境也造成了巨大的壓力。實上，類似的政策和標準在歐洲和日本等全球主要的國家和地區紛紛出臺，降低能耗已經成為全人類必須解決的課題。 人類從來沒有像今天這樣關切環境和氣候的變化，對自然的無止境索取已經超過了地球的承受極限，而能源的消耗是造成當今世界環境和氣候變化的罪魁禍首。提高能效降低能耗、減少污染排放成為全球各國政府的社會承諾，為此全球主要的國家和地區均出臺了各種越來越苛刻的能效標準和行業監管措施。美國政府今年正式針對冰箱等白色家電節能產品，實施最大補貼幅度約200美元的購買補貼政策，并正在擬定嚴格的節能標準草案；中國政府正在或已經制定了空調、彩電、小家電等新的能效標準，廠家面臨前所未有的低功耗設計技術升級壓力。事實上，類似的政策和標準在歐洲和日本等全球主要的國家和地區紛紛出臺，降低能耗已經成為全人類必須解決的課題。 電子產品作為能耗大戶是開展節能的主戰場，各種電子產品運行的電能消耗不僅加深了電能緊缺的現狀，而且數量龐大的便攜式電子產品每年耗用的各種電池對環境也造成了巨大的壓力。據中國化學與物理電池協會2009年6月公布的數據，中國市場2008年的電池銷量超過290億節，每年產生的廢舊電池達數百萬噸。降低電子產品的能耗已經不僅是降低用戶產品使用成本，延長電池待機時間等與用戶直接利益相關的話題，更是電子產品設計制造企業所應承擔的社會責任。 另一方面，當前電子產品同樣面臨技術和市場發展新趨勢所帶來的低功耗設計壓力。以便攜式電子產品設計為例，娛樂終端、通信終端以及各種專用功能的便攜式產品的功能界限日益模糊，越來越多的應用系統要求音頻、視頻和通訊處理能力，多種功能集成、多種外設接口、大屏幕顯示、全天候在線等要求，以及用戶本身對產品不斷提高的待機時間要求，都給產品設計工程師帶來直接的設計壓力。 傳統的處理器的局限性 這種壓力已經持續在電子產業鏈中產生積極的推動力，處于產業鏈頂端的半導體設計公司最直接感受到這種壓力，同時也是推動電子產品低功耗設計發展趨勢的主力。這些企業在降低集成電路產品功耗上堪稱不遺余力，獨具創新低功耗設計策略和技術的產品層出不窮。 對于嵌入式設備來說，處理器是嵌入式系統功耗的主要來源—對于手持設備而言，它幾乎占據了除顯示屏以外的整個系統功耗的一半以上，所以選擇合適的處理器對于最后的系統功耗大小有決定性的影響。RSIC微控制器和DSP都已在這些系統中得到廣泛使用。盡管傳統上RSIC處理器可以高效地處理控制流，DSP可很好地處理數據流(如音頻應用)。由于目前很多嵌入式系統對控制和媒體處理都有要求，工程師大多在電路板或SoC中以某種形式把 DSP和MCU結合在一起，因為單一的DSP或者MCU處理器很難滿足當前系統要求的處理能力或指令特性。 表1：幾種常用處理器平臺主要特性比較。 美國ADI公司作為全球低功耗半導體設計技術的領導企業，其低功耗、高性能的模擬產品為全球電子產品的技術發展產生了極其重要的貢獻，而獨具優勢的Blackfin匯聚式處理器系列更為核心平臺提供了低功耗的引擎：基于單一的架構，這種處理器致力于對復雜的需實時處理的媒體數據流和通常由RISC處理器完成的面向控制的任務提供一個優化的方案，融合數字信號處理器與微控制器的匯聚式特性在降低系統功耗上具有獨特的優勢。 匯聚式架構的低功耗基因 （一）獨特架構建立低功耗硬件平臺 Blackfin處理器基于由 ADI和Intel公司聯合開發的微信號架構（MSA），它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加（MAC）信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。 這種數字信號處理器與微控制器相結合的架構特征使得Blackfin處理器具備了低功耗的基因：能夠在信號處理和控制處理應用中均發揮上佳的作用，在當前許多應用場合中，Blackfin可以免除增設單獨的異構處理器的需要；另外，與同級的其它處理器相比，Blackfin極高的性能確保了作為處理器平臺的性能裕量，在滿足一般的數字處理及控制處理的同時，常常還有足夠的性能裕量來滿足基于軟件的功能擴展需求，避免增加額外的硬件帶來的功耗增加。 當前大部分嵌入式設備中，音視頻、網絡協議棧和專用算法的處理缺一不可，這正是融合數字信號處理器和微控制器特性于一身的匯聚處理器所擅長的，匯聚式處理器可以避免同級方案中的多處理器芯片產生額外功耗的弊端。在圖像編解碼的部分，Blackfin是軟解壓方式，它的可編程架構特性可以更為靈活的支持不同的壓縮算法；Blackfin對各種協議棧具有很好的支持，提供大量的相關庫資源；在專用算法上，同樣良好的生態體系為工程師提供了大量的專用算法軟件模塊，Blackfin強大的處理能力確保各種算法的實現性能。所有這些都確保您的設計能以單處理器在滿足產品功能、性能的條件下，在重要的低功耗特性上超越競爭對手。 以當前熱門電子產品數碼相框為例，當前大部分中低端產品方案采用“150MHz以下主頻處理器+特定格式媒體硬件解碼器”雙芯片硬件平臺，要實現WiFi無線連接、通信或數據加密等擴展功能時，還必須增加對應的硬件芯片，不僅增加了BOM成本、設計難度，更犧牲了系統功耗，這對于便攜式應用來說是不可容忍的。 （二）動態電源管理 Blackfin處理器的一個顯著特點是實現了動態電源管理(DPM)，從而使Blackfin器件始終具備最大的電源效率。所有的 Blackfin 處理器均采用了多種節能技術，其中動態電源管理特性的節能意義明顯。Blackfin處理器基于一種選通時鐘內核設計，可按照逐條指令來選擇性地切斷功能單元的電源。Blackfin 處理器還支持多種針對所需CPU動作極少（或根本不需要 CPU 動作）期間的斷電模式。值得特別一提的是，Blackfin處理器還支持一種自含動態電源管理電路，借助該電路即可對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執行的算法的性能要求。這些轉換可以在一個 RTOS 或用戶固件的控制之下連續出現。大多數 Blackfin 處理器都提供了片上內核穩壓電路，并可在低至0.8V 的電壓條件下工作，能極大地降低系統的功耗。 為了達到最大的能源效率，同時以低功耗實現最高性能，Blackfin處理器采用了各種高級設計技術，包括：可編程電壓與頻率調節、時鐘周期分辨率動態時鐘門控、支持深度睡眠與休眠模式的多電源域、可實現總線激活能量最小化的高代碼密度、用于實現最佳性能與電源效率的混合閾值電壓晶體管、實現最大電源效率的完全定制的處理器內核、使用靈活的硬件加速器，以及支持mSDRAM以實現最小板級功耗。 Blackfin處理器具備一個功能強大的電源管理系統。通過控制內部電壓調節器中的鎖相環路，可以設置多種不同的功耗和性能選項。對于任何處理器來說，其功耗均為工作頻率和電壓平方的函數。通過控制工作頻率和電壓，可以控制處理器的功耗。然而，對PLL和電壓調節器進行編程沒有想象的那么簡單，需要對寄存器進行編程、生成中斷、等待PLL穩定下來，這其實是一個相當復雜的過程，也非常容易出錯。利用Blackfin處理器動態電源管理服務程序提供的函數，只要調用這個函數就可以改變系統和內核的時鐘頻率、改變處理器的運行模式。用戶還可以改變內核時鐘頻率和系統時鐘頻率，當內核和系統時鐘頻率改變后，電源管理服務程序將自動調節電壓電平，以便盡可能最大限度地節省功耗。 例如，如果用戶選擇了一個較低的內核CCLK和系統SCLK頻率設置，那么，電源管理服務程序自動將電壓電平降至該頻率設置下的最低值。相反地，如果要最大限度地提高處理器的性能，則可以調高其CCLK和SCLK設置，從而使服務程序自動調高電壓電平。同樣地，也可以通過控制電壓來調節時鐘頻率設置，例如將電壓設定為0.9伏，通過一個函數調用即可將CCLK和SCLK設置為0.9伏電壓下的最高值。此外，不論用戶在什么時候改變了任何時鐘頻率設置，電源管理服務程序都會自動調用EBIU服務程序，對SDRAM進行相應的設置。
圖1：兩種內核的工作電壓、工作頻率及功耗比較 “定制化”特性強化低功耗優勢 Blackfin處理器是專為滿足嵌入式音頻、視頻和通信應用需求和功耗約束條件而設計的新型16～32位嵌入式處理器，大量的優化設計特讓您的產品的低功耗性能達到極致。 Blackfin的幾十個DMA通道和可靈活配置的高速緩存很好地滿足了視頻處理對大運算量、高數據吞吐率的要求，十級流水線使得Blackfin有很強的指令并行執行能力；4個視頻算術運算單元和視頻象素指令集大大加速了視頻運算速度，一條視頻象素操作指令可以在一周期之內完成4對視頻數據分量的加法運算、減法運算、加減混合運算、取平均值，或者相減并求絕對值等11種視頻象素運算；零開銷循環控制指令讓系統中的大量循環跳轉不再消耗任何處理器的時鐘周期；Blackfin處理器架構還包括專為增強視頻處理應用中的性能而定義的指令…… 目前，對功耗的研究主要集中在硬件解決方案上，而軟件研究方面很少。事實證明，在硬件設計和選型確定后，功耗的高低與軟件設計有很大的關聯性，軟件設計和編程質量的好壞，極大地影響著最終產品的功耗水平。ADI公司為Blackfin處理器提供業界一流的工具、初學套件與支持，包括熟知的ADI CROSSCORE?軟件工具，包括VisualDSP++?集成開發與調試環境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite?評估版硬件。ADI還提供大量經過驗證的優化算法IP、軟件模塊庫，這對于實現優化的系統軟件設計提供了保障，從而在軟件設計上發揮系統的低功耗優勢。 ADI是高性能傳感器、模數/數模轉換器、運算放大器等產品領域的全球領導企業，基于Blackfin的硬件平臺方案還為企業整合這些高性能器件提供了無縫整合平臺。以病人監護和診斷用醫療設備提供商UTAS最新推出的便攜式病人監護儀產品UM300為例，該產品采用的Blackfin BF561集成有針對應用優化的片上外設，這些外設可直接連接UM300內的ADI AD7190Σ-Δ模數轉換器和AD7689 PulSAR? ADC。UM300系統還使用了ADI的AD8605單電源運算放大器、AD8220結型場效應晶體管（JFET）輸入儀表放大器、ADP3335精密穩壓器和ADuM2401 iCoupler?四通數字隔離器，從而形成了一個無縫連接的高性能元器件平臺，同時實現了低功耗優化。 從300 MHz到750 MHz的處理器頻率、單核或雙核（BF561）架構、各種接口和功能組合，具有多種片上存儲器容量、外設、封裝以及價格，Blackfin處理器家族多達近30款產品為最具針對性地滿足您的應用需求提供了廣泛的選擇，從而確保在滿足系統功能和性能條件下獲得低功耗優勢。 他們的選擇不僅因為高性能 愛國者Aigo E898與F965R是第一批能夠顯示RealVideo與RMVB格式編碼的完全D1廣播分辨率視頻文檔的便攜式媒體播放器。愛國者采用了為移動應用而優化的Blackfin 52x系列處理器。BF52x處理器集高性能、高功率效率以及系統集成性于一體，實現了高度優化的設計，其功耗僅為0.16 mW/MHz，工作頻率高達600 MHz。之所以選擇Blackfin處理器并不僅因為這些原始性能，Blackfin處理器解決方案之所以脫穎而出是因為它能夠調制時鐘頻率和電源電壓，無論是解碼流媒體時的最大性能還是等待用戶選擇下一項任務的待機模式，BF52x處理器都能提供同級方案中最低的功耗水平，保證產品最長的電池使用壽命。 位于以色列特拉維夫的APM Automation Solutions公司最新發布了其三維測量設備3DLevelScanner?，在測量精度和設備可用性方面帶來了革命性的提高。為了將這種新的精度和性能水平引入市場，APM公司在早期的開發過程中就選擇了ADI公司的Blackfin BF534作為其設備的核心處理器，這是因為該處理器除了具備出色的處理性能、最佳的信號處理能力，還兼具低功耗優勢，通過采用BF534，該設備將平均功耗控制在1W左右，從而符合了重要的工業低功耗標準。 美國AValon RF公司推出針對戰地應用的空時分集接收機，該產品實質上屬于軟件無線電產品，需要一個高性能處理器來處理SDR功能，并負責接收器空時分集處理。這種處理器的功耗必須低，以便能夠使用較小的電池，從而獲得客戶可以佩戴的更輕巧、更舒適的產品。為此，他們選擇了Blackfin處理器。 醫療設備的便攜化、家用化是未來醫療設備市場的強勁推動力，而無疑低功耗將是推動這種發展趨勢的關鍵技術特性，Blackfin處理器的低功耗特性正在贏得醫療設備企業的青睞。如前文所述，UTAS對Blackfin的成功運用還擴展到了其它UTAS系統，包括UCARD 100心電圖儀和USP 100注射泵。這兩個產品都使用了Blackfin BF533處理器實現高性能的生物醫學信號處理。Blackfin BF561和BF533都擁有可以降低處理器級和系統級功耗的眾多創新架構特性，包括獨立的動態功率管理機制。這些特性幫助UTAS系統設計師盡可能地延長了產品的電池壽命，這正是實現產品便攜化的關鍵。 指紋識別是當前一種熱門的生物識別技術，特別適用于諸如PDA、膝上型電腦和手機等便攜式設備的安全措施，因而要求方案具有低功耗特點。全球領先的指紋識別技術解決方案提供商AuthenTec就采用了BF531處理器，預處理采集到的指紋，提供頻率、振幅和相位等修改數據，為模式匹配算法提供盡可能最佳的圖像。基于BF531處理器的解決方案的功耗僅為同級嵌入式處理器的1/3到1/2之間，因此，該解決方案對此類對功率要求極為苛刻的應用具有極大的吸引力 同樣，對于視頻監控應用來說，由于監控設備通常都是一周7天，每天24小時運行的，低功耗也很重要。目前基于Blackfin系列處理器的各種視頻監控設備正在全球獲得廣泛的部署。
圖2：基于BF52x處理器的愛浦多移動數字電視方案框圖 低功耗是ADI永遠的產品策略 ADI公司通過提供集成電路，尋求改善人類生活質量并保護環境的方法。這些集成電路產品被廣泛用于檢測和控制太陽能與風能系統、海水淡化工廠以及核電站；智能計量技術促進更高效的能源利用。此外，每一代器件的功耗都比上一代的功耗不斷降低，這都有助于我們實現更綠色的環境。 作為低功耗先進模擬器件全球領導企業，ADI非常清楚低功耗對當前電子產品的重要意義，同時其先進的半導體工藝能力、低功耗設計技術不斷促進了Blackfin處理器的低功耗特性的快速提升。ADI將不斷通過最新的CMOS深亞微米工藝、更深的流水線、多內核、每個核心更多的計算單元，以及充分利用信號處理加速引擎，繼續提高Blackfin系列的性能，增強它們在性價比和性能功耗比方面的領先地位。低功耗是ADI永遠的產品策略，同時也是ADI堅持履行的社會責任。 |
