Blackfin处理器为应用置入低功耗引擎

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关键字 Blackfin  低功耗  动态电源   


导读: 电子产品作为能耗大户是开展节能的主战场，各种电子产品运行的电能消耗不仅加深了电能紧缺的现状，而且数量庞大的便携式电子产品每年耗用的各种电池对环境也造成了巨大的压力。实上，类似的政策和标准在欧洲和日本等全球主要的国家和地区纷纷出台，降低能耗已经成为全人类必须解决的课题。


人类从来没有像今天这样关切环境和气候的变化，对自然的无止境索取已经超过了地球的承受极限，而能源的消耗是造成当今世界环境和气候变化的罪魁祸首。提高能效降低能耗、减少污染排放成为全球各国政府的社会承诺，为此全球主要的国家和地区均出台了各种越来越苛刻的能效标准和行业监管措施。美国政府今年正式针对冰箱等白色家电节能产品，实施最大补贴幅度约200美元的购买补贴政策，并正在拟定严格的节能标准草案；中国政府正在或已经制定了空调、彩电、小家电等新的能效标准，厂家面临前所未有的低功耗设计技术升级压力。事实上，类似的政策和标准在欧洲和日本等全球主要的国家和地区纷纷出台，降低能耗已经成为全人类必须解决的课题。
　　电子产品作为能耗大户是开展节能的主战场，各种电子产品运行的电能消耗不仅加深了电能紧缺的现状，而且数量庞大的便携式电子产品每年耗用的各种电池对环境也造成了巨大的压力。据中国化学与物理电池协会2009年6月公布的数据，中国市场2008年的电池销量超过290亿节，每年产生的废旧电池达数百万吨。降低电子产品的能耗已经不仅是降低用户产品使用成本，延长电池待机时间等与用户直接利益相关的话题，更是电子产品设计制造企业所应承担的社会责任。
　　另一方面，当前电子产品同样面临技术和市场发展新趋势所带来的低功耗设计压力。以便携式电子产品设计为例，娱乐终端、通信终端以及各种专用功能的便携式产品的功能界限日益模糊，越来越多的应用系统要求音频、视频和通讯处理能力，多种功能集成、多种外设接口、大屏幕显示、全天候在线等要求，以及用户本身对产品不断提高的待机时间要求，都给产品设计工程师带来直接的设计压力。
 
　　传统的处理器的局限性
　　这种压力已经持续在电子产业链中产生积极的推动力，处于产业链顶端的半导体设计公司最直接感受到这种压力，同时也是推动电子产品低功耗设计发展趋势的主力。这些企业在降低集成电路产品功耗上堪称不遗余力，独具创新低功耗设计策略和技术的产品层出不穷。
　　对于嵌入式设备来说，处理器是嵌入式系统功耗的主要来源—对于手持设备而言，它几乎占据了除显示屏以外的整个系统功耗的一半以上，所以选择合适的处理器对于最后的系统功耗大小有决定性的影响。RSIC微控制器和DSP都已在这些系统中得到广泛使用。尽管传统上RSIC处理器可以高效地处理控制流，DSP可很好地处理数据流(如音频应用)。由于目前很多嵌入式系统对控制和媒体处理都有要求，工程师大多在电路板或SoC中以某种形式把 DSP和MCU结合在一起，因为单一的DSP或者MCU处理器很难满足当前系统要求的处理能力或指令特性。


　　表1：几种常用处理器平台主要特性比较。
　　美国ADI公司作为全球低功耗半导体设计技术的领导企业，其低功耗、高性能的模拟产品为全球电子产品的技术发展产生了极其重要的贡献，而独具优势的Blackfin汇聚式处理器系列更为核心平台提供了低功耗的引擎：基于单一的架构，这种处理器致力于对复杂的需实时处理的媒体数据流和通常由RISC处理器完成的面向控制的任务提供一个优化的方案，融合数字信号处理器与微控制器的汇聚式特性在降低系统功耗上具有独特的优势。
 
　汇聚式架构的低功耗基因
 
　　（一）独特架构建立低功耗硬件平台
　　Blackfin处理器基于由 ADI和Intel公司联合开发的微信号架构（MSA），它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加（MAC）信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起。
　　这种数字信号处理器与微控制器相结合的架构特征使得Blackfin处理器具备了低功耗的基因：能够在信号处理和控制处理应用中均发挥上佳的作用，在当前许多应用场合中，Blackfin可以免除增设单独的异构处理器的需要；另外，与同级的其它处理器相比，Blackfin极高的性能确保了作为处理器平台的性能裕量，在满足一般的数字处理及控制处理的同时，常常还有足够的性能裕量来满足基于软件的功能扩展需求，避免增加额外的硬件带来的功耗增加。
　　当前大部分嵌入式设备中，音视频、网络协议栈和专用算法的处理缺一不可，这正是融合数字信号处理器和微控制器特性于一身的汇聚处理器所擅长的，汇聚式处理器可以避免同级方案中的多处理器芯片产生额外功耗的弊端。在图像编解码的部分，Blackfin是软解压方式，它的可编程架构特性可以更为灵活的支持不同的压缩算法；Blackfin对各种协议栈具有很好的支持，提供大量的相关库资源；在专用算法上，同样良好的生态体系为工程师提供了大量的专用算法软件模块，Blackfin强大的处理能力确保各种算法的实现性能。所有这些都确保您的设计能以单处理器在满足产品功能、性能的条件下，在重要的低功耗特性上超越竞争对手。
　　以当前热门电子产品数码相框为例，当前大部分中低端产品方案采用“150MHz以下主频处理器+特定格式媒体硬件解码器”双芯片硬件平台，要实现WiFi无线连接、通信或数据加密等扩展功能时，还必须增加对应的硬件芯片，不仅增加了BOM成本、设计难度，更牺牲了系统功耗，这对于便携式应用来说是不可容忍的。
 
　　（二）动态电源管理
　　Blackfin处理器的一个显著特点是实现了动态电源管理(DPM)，从而使Blackfin器件始终具备最大的电源效率。所有的 Blackfin 处理器均采用了多种节能技术，其中动态电源管理特性的节能意义明显。Blackfin处理器基于一种选通时钟内核设计，可按照逐条指令来选择性地切断功能单元的电源。Blackfin 处理器还支持多种针对所需CPU动作极少（或根本不需要 CPU 动作）期间的断电模式。值得特别一提的是，Blackfin处理器还支持一种自含动态电源管理电路，借助该电路即可对工作频率和电压进行独立控制，以满足正在执行的算法的性能要求。这些转换可以在一个 RTOS 或用户固件的控制之下连续出现。大多数 Blackfin 处理器都提供了片上内核稳压电路，并可在低至0.8V 的电压条件下工作，能极大地降低系统的功耗。
　　为了达到最大的能源效率，同时以低功耗实现最高性能，Blackfin处理器采用了各种高级设计技术，包括：可编程电压与频率调节、时钟周期分辨率动态时钟门控、支持深度睡眠与休眠模式的多电源域、可实现总线激活能量最小化的高代码密度、用于实现最佳性能与电源效率的混合阈值电压晶体管、实现最大电源效率的完全定制的处理器内核、使用灵活的硬件加速器，以及支持mSDRAM以实现最小板级功耗。
　　Blackfin处理器具备一个功能强大的电源管理系统。通过控制内部电压调节器中的锁相环路，可以设置多种不同的功耗和性能选项。对于任何处理器来说，其功耗均为工作频率和电压平方的函数。通过控制工作频率和电压，可以控制处理器的功耗。然而，对PLL和电压调节器进行编程没有想象的那么简单，需要对寄存器进行编程、生成中断、等待PLL稳定下来，这其实是一个相当复杂的过程，也非常容易出错。利用Blackfin处理器动态电源管理服务程序提供的函数，只要调用这个函数就可以改变系统和内核的时钟频率、改变处理器的运行模式。用户还可以改变内核时钟频率和系统时钟频率，当内核和系统时钟频率改变后，电源管理服务程序将自动调节电压电平，以便尽可能最大限度地节省功耗。
　　例如，如果用户选择了一个较低的内核CCLK和系统SCLK频率设置，那么，电源管理服务程序自动将电压电平降至该频率设置下的最低值。相反地，如果要最大限度地提高处理器的性能，则可以调高其CCLK和SCLK设置，从而使服务程序自动调高电压电平。同样地，也可以通过控制电压来调节时钟频率设置，例如将电压设定为0.9伏，通过一个函数调用即可将CCLK和SCLK设置为0.9伏电压下的最高值。此外，不论用户在什么时候改变了任何时钟频率设置，电源管理服务程序都会自动调用EBIU服务程序，对SDRAM进行相应的设置。

 

　　图1：两种内核的工作电压、工作频率及功耗比较
 
　　“定制化”特性强化低功耗优势
　　Blackfin处理器是专为满足嵌入式音频、视频和通信应用需求和功耗约束条件而设计的新型16～32位嵌入式处理器，大量的优化设计特让您的产品的低功耗性能达到极致。
　　Blackfin的几十个DMA通道和可灵活配置的高速缓存很好地满足了视频处理对大运算量、高数据吞吐率的要求，十级流水线使得Blackfin有很强的指令并行执行能力；4个视频算术运算单元和视频象素指令集大大加速了视频运算速度，一条视频象素操作指令可以在一周期之内完成4对视频数据分量的加法运算、减法运算、加减混合运算、取平均值，或者相减并求绝对值等11种视频象素运算；零开销循环控制指令让系统中的大量循环跳转不再消耗任何处理器的时钟周期；Blackfin处理器架构还包括专为增强视频处理应用中的性能而定义的指令……
　　目前，对功耗的研究主要集中在硬件解决方案上，而软件研究方面很少。事实证明，在硬件设计和选型确定后，功耗的高低与软件设计有很大的关联性，软件设计和编程质量的好坏，极大地影响着最终产品的功耗水平。ADI公司为Blackfin处理器提供业界一流的工具、初学套件与支持，包括熟知的ADI CROSSCORE?软件工具，包括VisualDSP++?集成开发与调试环境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite?评估版硬件。ADI还提供大量经过验证的优化算法IP、软件模块库，这对于实现优化的系统软件设计提供了保障，从而在软件设计上发挥系统的低功耗优势。
　　ADI是高性能传感器、模数/数模转换器、运算放大器等产品领域的全球领导企业，基于Blackfin的硬件平台方案还为企业整合这些高性能器件提供了无缝整合平台。以病人监护和诊断用医疗设备提供商UTAS最新推出的便携式病人监护仪产品UM300为例，该产品采用的Blackfin BF561集成有针对应用优化的片上外设，这些外设可直接连接UM300内的ADI AD7190Σ-Δ模数转换器和AD7689 PulSAR? ADC。UM300系统还使用了ADI的AD8605单电源运算放大器、AD8220结型场效应晶体管（JFET）输入仪表放大器、ADP3335精密稳压器和ADuM2401 iCoupler?四通数字隔离器，从而形成了一个无缝连接的高性能元器件平台，同时实现了低功耗优化。
　　从300 MHz到750 MHz的处理器频率、单核或双核（BF561）架构、各种接口和功能组合，具有多种片上存储器容量、外设、封装以及价格，Blackfin处理器家族多达近30款产品为最具针对性地满足您的应用需求提供了广泛的选择，从而确保在满足系统功能和性能条件下获得低功耗优势。
 
　　他们的选择不仅因为高性能
　　爱国者Aigo E898与F965R是第一批能够显示RealVideo与RMVB格式编码的完全D1广播分辨率视频文档的便携式媒体播放器。爱国者采用了为移动应用而优化的Blackfin 52x系列处理器。BF52x处理器集高性能、高功率效率以及系统集成性于一体，实现了高度优化的设计，其功耗仅为0.16 mW/MHz，工作频率高达600 MHz。之所以选择Blackfin处理器并不仅因为这些原始性能，Blackfin处理器解决方案之所以脱颖而出是因为它能够调制时钟频率和电源电压，无论是解码流媒体时的最大性能还是等待用户选择下一项任务的待机模式，BF52x处理器都能提供同级方案中最低的功耗水平，保证产品最长的电池使用寿命。
　　位于以色列特拉维夫的APM Automation Solutions公司最新发布了其三维测量设备3DLevelScanner?，在测量精度和设备可用性方面带来了革命性的提高。为了将这种新的精度和性能水平引入市场，APM公司在早期的开发过程中就选择了ADI公司的Blackfin BF534作为其设备的核心处理器，这是因为该处理器除了具备出色的处理性能、最佳的信号处理能力，还兼具低功耗优势，通过采用BF534，该设备将平均功耗控制在1W左右，从而符合了重要的工业低功耗标准。
　　美国AValon RF公司推出针对战地应用的空时分集接收机，该产品实质上属于软件无线电产品，需要一个高性能处理器来处理SDR功能，并负责接收器空时分集处理。这种处理器的功耗必须低，以便能够使用较小的电池，从而获得客户可以佩戴的更轻巧、更舒适的产品。为此，他们选择了Blackfin处理器。
　　医疗设备的便携化、家用化是未来医疗设备市场的强劲推动力，而无疑低功耗将是推动这种发展趋势的关键技术特性，Blackfin处理器的低功耗特性正在赢得医疗设备企业的青睐。如前文所述，UTAS对Blackfin的成功运用还扩展到了其它UTAS系统，包括UCARD 100心电图仪和USP 100注射泵。这两个产品都使用了Blackfin BF533处理器实现高性能的生物医学信号处理。Blackfin BF561和BF533都拥有可以降低处理器级和系统级功耗的众多创新架构特性，包括独立的动态功率管理机制。这些特性帮助UTAS系统设计师尽可能地延长了产品的电池寿命，这正是实现产品便携化的关键。
　　指纹识别是当前一种热门的生物识别技术，特别适用于诸如PDA、膝上型电脑和手机等便携式设备的安全措施，因而要求方案具有低功耗特点。全球领先的指纹识别技术解决方案提供商AuthenTec就采用了BF531处理器，预处理采集到的指纹，提供频率、振幅和相位等修改数据，为模式匹配算法提供尽可能最佳的图像。基于BF531处理器的解决方案的功耗仅为同级嵌入式处理器的1/3到1/2之间，因此，该解决方案对此类对功率要求极为苛刻的应用具有极大的吸引力

　　同样，对于视频监控应用来说，由于监控设备通常都是一周7天，每天24小时运行的，低功耗也很重要。目前基于Blackfin系列处理器的各种视频监控设备正在全球获得广泛的部署。

 

 

　　图2：基于BF52x处理器的爱浦多移动数字电视方案框图
 
　　低功耗是ADI永远的产品策略
　　ADI公司通过提供集成电路，寻求改善人类生活质量并保护环境的方法。这些集成电路产品被广泛用于检测和控制太阳能与风能系统、海水淡化工厂以及核电站；智能计量技术促进更高效的能源利用。此外，每一代器件的功耗都比上一代的功耗不断降低，这都有助于我们实现更绿色的环境。
　　作为低功耗先进模拟器件全球领导企业，ADI非常清楚低功耗对当前电子产品的重要意义，同时其先进的半导体工艺能力、低功耗设计技术不断促进了Blackfin处理器的低功耗特性的快速提升。ADI将不断通过最新的CMOS深亚微米工艺、更深的流水线、多内核、每个核心更多的计算单元，以及充分利用信号处理加速引擎，继续提高Blackfin系列的性能，增强它们在性价比和性能功耗比方面的领先地位。低功耗是ADI永远的产品策略，同时也是ADI坚持履行的社会责任。