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??? 過去，選用低功耗" title="低功耗">低功耗 CPU通常意味著需要犧牲其功能性、降低時鐘運行速度、或需要等待新型低功耗技術推出才能降低待機和工作功耗。現在，這種情況已得到了徹底改觀，處理器產業發生了翻天覆地的變化。處理技術不斷發展，創新型芯片設計和高精細粒度電源管理軟件不斷進步，為我們帶來了全新系列的低功耗處理器，設計人員" title="設計人員">設計人員再也不用承受犧牲系統設計性能的代價。當然，沒有哪種產品是十全十美的，因此工程師必須認真考慮系統要求，分析不斷豐富的低功耗處理器產品，找出最能滿足其應用要求的解決方案。

本文將以產品選擇指南的形式總結性介紹產業技術發展水平。在選擇產品時，主要應考慮兩大要素：第一，系統設計人員需高度重視如下設計標準：

• 功耗
• 性能
• 集成性
• 上市時間
• 價格

??? 第二個因素就是處理器，我們可根據處理器所包含的不同特性集對其加以分析，然后闡述一般性標準的真實含意以及如何為各種類型的處理器評級。了解處理器信息可實現兩大目標：一是幫助系統設計人員了解市場上最新的處理器類型，其中有些可能對于他們而言是相對不太熟悉的新產品；二是在可選產品日趨豐富的情況下，可進一步幫他們縮小為既定設計選擇最佳芯片的范圍。

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檢驗標準

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??? 表 1 向您綜合介紹了各種不同的低功耗器件，根據設計人員感興趣的幾種標準將低功耗處理器分為幾大不同的類型。首先我們要注意的是，這些標準都是彼此密切相關的。例如，在芯片上" title="片上">片上集成多個內核、模擬特性、大容量存儲器或眾多外設" title="外設">外設等多種功能有助于降低系統總功耗與成本，并顯著加速產品上市進程。但是，這樣的高度集成會增加功耗，并使編程更復雜，從而延長產品的上市時間。

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功耗

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??? 對當前眾多設計而言，這可謂是最重要的標準。對于便攜式產品而言，更長的電池使用壽命是消費者最關心的問題。如基礎局端應用，低功耗轉換有助于降低散熱量，但散熱“包絡組件”又可能影響通道密度，不利于增加特性。此外，有些設計方案的就限定不能有高功率，如采用 USB 供電的產品或使用汽車電池的汽車配件產品，這種應用就限定僅能有幾毫瓦的運行功率。

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??? 我們應從系統角度更好地認識功耗。片上外設的正確組合有助于進一步降低總體系統功耗，這不僅是因為片外器件耗電更多，還因為在 PC 板上的線跡間傳輸數據消耗的電力比在器件自身內部傳輸數據消耗的電力要多得多。

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??? 就獨立器件而言，其節能性取決于工藝技術的固有優勢，不過高級處理器除了先進工藝之外，還有眾多其他功能。功耗可分為兩大模式：一是工作功耗，也就是數據處理期間晶體管轉換與工作時的功耗；二是靜態功耗，即不進行數據處理工作或其工作受限以及各種組件進入類似休眠模式時的功耗。

工作狀態的電源管理可采用數種方案：

• 動態電壓與頻率縮放 (DVFS)：采用 DVFS 技術時，軟件命令可根據應用方案所需的性能降低時鐘速率與電壓。例如，盡管多媒體處理器的 ARM 運行速度可達 600 MHz，但并不是所有情況下都需要如此高的功率。軟件可在預定義的工作性能點上做出選擇，讓處理器以特定速率運行。
• 自適應電壓縮放 (AVS)：硅芯片制造工藝會導致不同部件有著不同的性能分布，我們可利用這一特點實施 AVS 技術。也就是說，在既定頻率要求下，有些所謂“熱”器件的產品可以較低電壓實現較高性能，而“冷”器件則做不到這一點。在此情況下，處理器能感測其自身的性能級別，并相應調節電壓，以補償處理、溫度及硅芯片衰減等變化因素。
• 動態電源轉換 (DPS)：該技術可確定器件某個部分是否已完成其當前任務、目前是否還需要它繼續工作以及何時可讓它進入低功耗狀態。該粒度化電源控制的一個范例就是處理器在等待 DMA 傳輸完成過程中已進入低功耗狀態。

??? 如果不進行數據處理或處理工作受限時，選定組件便可進入極低的功耗模式，且系統等待喚醒事件，這時靜態電源管理就會啟動。通過眾所周知的靜態漏電管理方案來實現靜態電流管理，可支持數種不同的低功耗模式，其中包括待機模式乃至完全處于電源關閉狀態 (Power Off)。低功耗靜態模式的選擇取決于存儲器保持度和/或是否需要快速喚醒。

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??? 憑借上述特性，大多數低功耗處理器規定的待機功耗約為 15 mW，且峰值工作功耗低于 400 mW；不過，德州儀器 (TI) 推出的 TMS320C55x 等定點 DSP 的功耗更低，盡管其集成了 FFT 協處理器" title="協處理器">協處理器，且存儲器容量達 320kB，同時還支持 I/O 外設，但待機功耗僅為 0.50 mW，峰值工作功耗可為 75 mW。

表格中的大多數器件即便不是實施了所有這些低功耗特性的話也是實施了其中的大多數，因而能夠在功耗等級方面被評為“優”。表中列為“良”的產品是性能最高的芯片，通常采用多個內核，因此功耗較高也很自然。

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性能

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??? 更強大的處理能力非常重要，它不僅可實現全新的功能，提高單位成本或面積的通道數量，加快數據速率，增加密度，實現更高質量的壓縮方法，從而實現特色化的終端用戶產品。

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??? 在考慮產品性能時，除了 MHz 這一指標之外，工程師還應考慮并行處理能力。通過不同方式集成 DSP、ARM 或協處理器的芯片可大幅提高性能。OMAP 平臺就是一個很好的范例。工程師可將代碼分組，分別運行在最適用的內核上。即便器件僅采用一個內核，也能支持并行處理功能。例如，低功耗定點TMS320C640x 系列就采用單顆 CPU，能夠支持300 MHz頻率并行運行的八個指令單元，因此處理性能非常高。在同樣確保低功耗預算的情況下，該器件的處理性能是市場上其他低功耗處理器的 2 倍。

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??? 除了集成處理元件之外，集成其他系統組件也有助于大幅提升性能。例如，足夠的片上存儲器容量意味著可在 CPU 需要頻繁導入并導出數據的情況下大幅加快代碼運行速度。

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??? 不管開發什么類型的系統（多媒體設備或是功能性有限但需要盡可能降低功耗的設備），設計人員都能選擇到一款恰好能夠滿足所需處理能力的處理器。

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??? 在上表中，我們可以看到性能從“中”到“優”，主要體現在既定器件能讓多少個內核并行工作、片上外設有多少上。不過，我們通常必須在性能與功耗之間做出折中平衡。

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集成

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??? 顯然，集成度與性能密切相關。如前所述，某些芯片技術使設計人員能在同一芯片上集成 DSP、ARM9 或協處理器之一或全部。

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??? 不過，從集成角度來說，我們還可在當今器件上集成其他重要系統組件。集成存儲器就是一個很好的例子，其不僅有助于降低總體系統價格、節約系統功耗，而且還能簡化開發。一些低功耗處理器可直接在芯片上集成容量高達 50MB 的存儲器，如 TI 的OMAP-L1x 系列。在眾多情況下，我們都不再需要外接存儲器。

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??? 不過，當前的存儲器可集成的外設種類越來越豐富，其中也包括模擬組件，逐次逼近寄存器 (SAR) A/D 轉換器就是一個主要的例子。比方說，SAR 可用于消費類電子設備中常見的觸摸顯示屏接口。此外，其另一個應用例子是通用并行端口 (uPP)，可直接連接至系統上的各種其他部件，如高速 ADC 或 FPGA 等。就當前的低功耗處理器而言，用戶還能通過以太網 MAC、USB 2.0、支持海量存儲的串行 ATA（SATA）、用于WLAN 支持等 I/O 功能的 SDIO、LCD 控制器以及視頻端口接口等獲得針對網絡的片上支持。

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??? 在上表中，我們看到評分為“優”的器件采用多個內核或協處理器，而且還支持多種外設；評分為“良”的器件僅支持單內核，但同時支持多種存儲器與外設；而評分為“中”的器件則支持較少的外設，不過它們的優點在于功耗低，而且成本較低廉。

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上市時間

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??? 隨著消費類電子產品的技術創新速度不斷加快，產品壽命也從幾年縮短至幾個月，因而產品上市進程日益重要。某同業公司剛剛推出最新型的尖端產品，幾個月或是數周后立即就會有競爭對手跟進推出新產品，這是因為新產品擁有吸引消費者注意力的重要新特性。

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??? 產品投放市場的速度與集成度密切相關。顯然，如果組件實現片上集成，那么工程師所需的開發和故障調試時間就可以大幅縮短，因為不必再開發多個芯片之間協調所需的接口和數據交換機制了。此外，PC 電路板互連和不同驅動之間協作的問題也得以減少。

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??? 不過，如果芯片上集成的內核或外設太多，工程師就需要適當的軟件工具以執行這些組件。舉例來說，如果集成了ARM和DSP，就應該采用良好的工具集在統一的編程環境中需要兩個內核資源以便于應用開發。此外，工程師還應了解處理器廠商能否提供其它工具，如針對各種內核優化的第三方算法庫等，或者支持 Matlab 的 Simulink 或 National Instruments 的 LabVIEW 等第三方工具，以及評估/開發電路板乃至各種操作系統和開源選項等。這些因素對縮短開發時間、按計劃推出產品等而言都非常重要。

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??? 還有最后一點不容忽視，即 TMS320C674x 等浮點器件的編程復雜性較低。在眾多情況下，開發人員都能在臺式 PC 上用 Simulink 和 LabVIEW 等熟悉的工具編寫代碼，并將代碼移植到 DSP 上，而且只需做極少的修改，甚至根本無需修改。

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??? 不過總體上我們可以肯定地說，芯片的性能越高，所需的開發時間就越長。如果是需要較高級性能的復雜產品，則顯然在代碼的開發和故障調試方面就需要更長的時間。

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??? 最后，工程師必須始終提前考慮到為其下一代產品做好準備。在某些市場上，標準變動非常快，而企業又希望快速占據市場。這時，設計人員就必須構建出能面向未來市場的產品，并可根據新標準或新增特性的要求及時實現升級。因此，了解處理器系列非常重要，檢驗其在軟件與引腳對引腳兼容性方面是否存在問題——如果需要提高計算能力的話，是否能在盡可能少地改動整體系統設計和代碼的情況下實現性能提高。

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??? 上表中，評分為“優”的產品在軟件與硬件方面的支持都非常豐富。評分為“良”的產品集成度較低，需要更多片外外設或存儲器，相關的設計工作也更多一些。

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價格

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??? 在評估價格這一標準時，工程師不應單著眼于芯片的價格。芯片本身的價格正不斷下降，以至于現在大多數低功耗處理器的成本都不足 15 美元。根據器件的具體特性，價格可降低至 4 美元。對消費類應用來說，每個組件的成本都很關鍵。但對于基礎局端或商業應用來說，單個組件的成本并不太重要，擁有成本與效率才是更應關注的問題。

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??? 工程師更應關注整體的系統成本問題。反過頭來還以存儲器為例，如果產品的所有算法運行都采用片上存儲器，那么僅通過減少不必要的外部存儲器芯片就能節約1到2美元。如果集成了諸如 SATA、以太網、存儲器、USB 2.0 以及 ARM9 等，就能顯著節約系統成本（可高達 9 美元），如在討論集成章節時提到的 OMAP-L1X 系列或其他高集成度外設。

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??? 除了芯片的價格之外，工程師還應評估開發的簡易性，這包括了軟硬件開發工具、技術支持、培訓、第三方支持、文檔、工程設計時間/開銷以及 NRE 開發費用等。加速開發進程有助于實現更高質量的終端產品，因為寶貴的時間與金錢可用于實現產品的差異化，而不是花費在構建設計基礎局端上。

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??? 因此，工程師不光要考慮開發電路板與仿真器的價格，還要考慮其質量，以及能多快地提高開發速度。高質量 IDE 與編譯器使設計人員能夠更全面地了解設計情況，并加速產品上市進程。工程師應關注哪些硅芯片廠商能提供免專利費的操作系統，哪些第三方合作伙伴能提供經過經驗證的、可直接投入使用的代碼，如在基于 DSP 的設計中用到的編解碼器等，此外，還應注意可以幫助設計人員快速啟動設計工作的技術框架。

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??? 此外，板面布局與制造方面的成本也不容忽視。重要的不僅在于器件數量，還包括器件的工藝間距。小間距器件的系統級板面布局與制造更加昂貴。

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??? 在上表中，我們看到，價格通常與內核數據以及片上外設成反比。集成組件越多，器件的價格顯然也就越貴，設計工作的強度也越大，因為這些產品通常適用于最先進的便攜式系統。舉例來說，同時集成 了DSP、ARM 以及協處理器的高性能應用處理器是唯一被評為“中”的門類。

低功耗應用

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??? 即便擁有上表的幫助，我們也很難為既定應用選出最適合的器件，總免不了要做出一定的設計折中平衡。不過，我們可以簡單探討一下應用要求，或許可以提供一些指導。

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??? 要求低功耗特性的應用種類越來越多，我們可將這些應用分為以下幾個大類：

• 采用插入式電源或 USB 供電的產品，如車載免提套件、GPS dongle、觸摸屏或喇叭擴音器等；
• 消費者希望電池能工作至少一整天的應用，如無線麥克風、樂器、降噪耳機、無線打印機，乃至多參數便攜式醫療儀器等；
• 電池可工作長達兩個星期的應用，如錄音機、電子書、門禁指紋驗證或單參數便攜式醫療儀器等。

??? 還有一種應用分類方法就是根據功能性進行區分。便攜式設備會考慮到高精確度問題。比方說，樂器或音頻產品會需要較廣的動態范圍。這種精確度與動態范圍通常需要采用 TI TMS320C674x DSP 這樣的浮點處理器，這是一款業界功耗最低的產品，功耗可低至 15 mW。

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??? 現在我們不妨考慮一款采用豐富特性 GUI 的應用。這時我們應當選擇一款支持 ARM處理功能的器件。由于具備諸如 OMAP-L1x 這種集成了 ARM 和 DSP 功能的產品，我們可以獲得足夠強大的功能，以便既能運行 GUI，又能滿足復雜的處理任務的要求。

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??? 消費者會要求某些產品具備超長的電池使用壽命，如便攜式錄音機／播放器、電子書閱讀器、便攜式麥克風甚或是家用腕表式醫療儀器等。支持低功耗待機模式的 C550x 等處理器能高效利用深度休眠模式（功耗低至 6.8 μW）與待機模式（功耗低至 0.5 mW），因而可實現數周的電池使用壽命。

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總結

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??? 如本文所述，低功耗處理器的所有選擇參數都是密切相關的。通常說來，性能越高，功耗就越大，不過現在，產品功耗已經普遍降低，因此無論您有何種應用需求，幾乎都能找到一款適用的低功耗處理器。

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??? 如欲了解更多詳情，敬請訪問：http://focus.ti.com.cn/cn/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=dsp§ionId=2&tabId=2232&familyId=1622。