一直以來(lái)，嵌入式處理器的低功耗是通過(guò)使用一些低功耗的空閑或睡眠模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)在，嵌入式處理器要承擔(dān)更復(fù)雜的工作，需要更高的性能。新的應(yīng)用程序（如音頻和視頻播放以及游戲等）一般運(yùn)行時(shí)間都相當(dāng)長(zhǎng)，“運(yùn)行時(shí)間”與“空閑時(shí)間”之比也上升得很快。傳統(tǒng)的電源管理技術(shù)在空閑時(shí)間中是非常有效的，但要在運(yùn)行中節(jié)省電池能量就無(wú)能為力了。

此外，電源管理芯片制造商僅僅把注意力集中在供電的管理方面。情況一般是這樣的，嵌入式處理器供應(yīng)商給出輸入／輸出功率要求，功率半導(dǎo)體供應(yīng)商則爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)出盡可能高效的滿足要求的 IC。然而，現(xiàn)在象開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器這樣的電源管理 IC 效率已經(jīng)達(dá)到了 95% 的高峰。這迫使今天的電源 IC 供應(yīng)商不僅要在價(jià)格上競(jìng)爭(zhēng)，還要靠效率的每一點(diǎn)細(xì)微增長(zhǎng)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)前手機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)顯示，這些傳統(tǒng)的方法已無(wú)法滿足業(yè)界對(duì)提升效率的需求。

盡管電池技術(shù)一直有穩(wěn)定改進(jìn)，如更長(zhǎng)的壽命及更小的體積，但這種發(fā)展仍然無(wú)法趕上下一代設(shè)計(jì)快速增長(zhǎng)的功率需求。要在新產(chǎn)品中將電池壽命延長(zhǎng)到最終用戶可以接受的水平，普通的電源管理方法已經(jīng)不能勝任了。

工藝技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)也加劇了電源管理的復(fù)雜性。過(guò)去，CMOS晶體管在靜態(tài)時(shí)消耗功率很少，幾乎可以忽略不計(jì)。然而，隨著速度和密度的增加，工藝尺寸在不斷縮小，靜態(tài)功耗也在增長(zhǎng)。根據(jù)估計(jì)，對(duì)于用 0.13 微米高速工藝實(shí)現(xiàn)的芯片，其靜態(tài)功耗要占總功耗的 15-20%。而且，隨著工藝技術(shù)進(jìn)入 100 納米以下，靜態(tài)功耗將呈現(xiàn)指數(shù)式的增長(zhǎng)，并將在處理器總功耗中占據(jù)主要部分。

有一種方法可以協(xié)調(diào)高性能與低功耗之間的矛盾，這就是讓處理器根據(jù)當(dāng)前的工作負(fù)載，運(yùn)行在不同的性能等級(jí)上。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè) MPEG 視頻播放器需要的處理性能比 MP3 音頻播放器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，當(dāng)播放 MP3 時(shí)，處理器可以運(yùn)行在較低頻率上，而仍然能保證播放的高質(zhì)量。當(dāng)時(shí)鐘頻率降低時(shí)，可以同時(shí)降低處理器的供電電壓，以達(dá)到節(jié)能的目的。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整技術(shù) (DVS) 就利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即 CMOS 工藝處理器的峰值頻率與供電電壓成正比。圖 1 顯示了頻率與電壓的關(guān)系，其中的測(cè)試使用了一個(gè) ARM926EJ-S 處理器內(nèi)核（0.18 微米工藝）。可以看到轉(zhuǎn)折點(diǎn)在大約 90 MHz，這是調(diào)整技術(shù)適用電壓范圍的一個(gè)限額。

以下是一個(gè) CMOS 電路的近似功率方程：

P = CVDD 2fc + VDDIQ其中：

· P 為供電電壓 VDD 消耗的功率。

· C(VDD)2fc 是源于切換的動(dòng)態(tài)功耗部分（C 是電容，fc 為頻率）。

· VDDIQ 是源于泄漏的靜態(tài)功耗部分（IQ 為泄漏電流）顯然，對(duì)一個(gè)給定負(fù)載，動(dòng)態(tài)功率的量值與供電電壓的平方成正比。

減少供電電壓并同時(shí)降低處理器的時(shí)鐘速度，功耗將會(huì)呈二次方的速度下降，代價(jià)是增加了運(yùn)行時(shí)間。由于每次電池充電后其中儲(chǔ)存的能量是有限的，所以能量管理技術(shù)是唯一一種可以擴(kuò)展電池使用壽命的方法。圖 2 顯示的是當(dāng)頻率與電壓都從最高值下調(diào)時(shí)，等效的節(jié)能情況。因?yàn)殡妷旱南陆挡豢赡艹^(guò)某一個(gè)最低限，所以即使把頻率降低到曲度以下也不能產(chǎn)生更多的節(jié)能效果。因此，能量管理技術(shù)也存在一個(gè)適用頻率范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)的電壓升降才是有效的（本例中約為 90-170 MHz）。

圖2計(jì)算出ARM926EJ-S處理器節(jié)能與頻率關(guān)系圖

電壓控制和頻率控制的要求圖 3 比較了兩種電源管理方法的效果，一種使用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整法（DVS），另一種是普通的門控電源管理方法。DVS 方法能顯著降低整體功耗。

一般來(lái)說(shuō)，處理器運(yùn)行得都太快了。例如，從 QoS 觀點(diǎn)來(lái)看，如果軟件只需要在一秒鐘內(nèi)顯示完 30 幀視頻圖像，則處理器在半秒內(nèi)就完成所有解碼是沒(méi)有意義的。提前完成任務(wù)的做法使能量利用效率較低。

取得性能與節(jié)能平衡的關(guān)鍵在于使用智能軟件，它可以把處理器的性能降低到正好滿足應(yīng)用軟件需求底線的水平。這種軟件應(yīng)該包括“性能設(shè)定”算法，由該算法來(lái)確定處理器運(yùn)行的最佳性能級(jí)別，并且管理象 DVS 這樣的性能調(diào)整技術(shù)。

現(xiàn)有的 DVS 系統(tǒng)使用的是開(kāi)環(huán)控制技術(shù)，CPU 的特性是通過(guò)給定時(shí)鐘速度和電壓下的工作量來(lái)確定的，并留有足夠的余量來(lái)適應(yīng)溫度、供電和晶圓工藝的變化。

嵌入式處理器被設(shè)計(jì)成能在寬廣的溫度范圍內(nèi)工作和適應(yīng)不同的硅工藝。因此，必須采用較高的安全裕度，才能在電源效率降低時(shí)確保足夠的安全工作范圍。隨著供電電壓逐步轉(zhuǎn)向 1.2V 或更低，所需安全裕度的百分比也隨之增加，以覆蓋溫度及硅片工藝的各種變化。

CMOS 電路的速度會(huì)隨溫度的升高而減慢，這一效應(yīng)必須算到供電電壓安全裕度里，雖然一般的工作溫度都是室溫。由于工藝技術(shù)的變數(shù)很多，如不同內(nèi)核、不同晶圓、不同批量甚至不同代工廠都各不相同。為了保證高的產(chǎn)量，這些保護(hù)帶(guard-b ands)可以相當(dāng)寬，從而對(duì)總體功耗有顯著的影響。

可以用大量的特性來(lái)構(gòu)建一個(gè)頻率與電壓對(duì)照表，以確保在所有工作條件下都能滿足性能要求。然后把一個(gè)確定的電壓／速度集合以硬編碼方式寫到芯片中。在實(shí)際工作中，SoC 上定制的軟件驅(qū)動(dòng)通過(guò)一個(gè)專門的硬件接口來(lái)設(shè)定所需電壓級(jí)別。在改變時(shí)鐘頻率前，必須通過(guò)一個(gè)定時(shí)器或其它方法來(lái)檢查穩(wěn)定電壓狀態(tài)（VDD_OK）。

自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)方法是一種閉環(huán)控制技術(shù)，它比 DVS 有明顯的改進(jìn)。AVS 采用固有的對(duì)工藝與溫度變化的補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了電壓調(diào)整的方法，不再需要頻率／電壓表。這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要與嵌入式處理器協(xié)同使用幾個(gè)硬件性能監(jiān)控器，由它們接收從性能設(shè)定算法送來(lái)的更改性能級(jí)別的請(qǐng)求。這些性能監(jiān)控器可以準(zhǔn)確地監(jiān)控內(nèi)核內(nèi)外的工藝與溫度變化情況，并且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與外部的能量管理單元(EMU)進(jìn)行通信。

ARM國(guó)家半導(dǎo)體能量管理解決方案ARM公司一直在研究一種對(duì)性能調(diào)整硬件進(jìn)行智能控制的解決方案。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司則一直在研究一種智能控制供電電壓、簡(jiǎn)化 DVS 方法以及通過(guò) AVS 減小安全裕度的解決方案。兩家公司現(xiàn)在已經(jīng)可以給電池供電設(shè)備的開(kāi)發(fā)商提供一種端到端的方案。

ARM 公司的 Intelligent Energy Manager（智能能量管理器，IEM）解決方案以一個(gè)軟件部件為中心，即 Intelligent Energy Management 軟件。IEM 軟件與運(yùn)行在應(yīng)用軟件下的操作系統(tǒng)(OS)相互銜接，使用從 OS 內(nèi)部架構(gòu)獲得的參數(shù)，通過(guò)正在運(yùn)行的應(yīng)用程序“指導(dǎo)” OS 的使用。可以用一些復(fù)雜的軟件算法來(lái)評(píng)價(jià)不同類型的軟件活動(dòng)，然后產(chǎn)生一個(gè)對(duì)未來(lái)性能的預(yù)測(cè)。每個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果用一個(gè)評(píng)測(cè)棧來(lái)加總，以確定出一個(gè)總體的性能預(yù)測(cè)。

策略棧的工作情況顯示在圖 4 中。每個(gè)算法都把自己的預(yù)測(cè)作為一種性能級(jí)別 (PeRF.)送進(jìn)棧中，每個(gè)預(yù)測(cè)都有一個(gè)相關(guān)的指令指出當(dāng)前預(yù)測(cè)的權(quán)重，如果信任水平為低則 IGNORE（放棄該預(yù)測(cè)），如果為高則 SET（指定該預(yù)測(cè)），SET_IFGT 表示如果該預(yù)測(cè)的信任水平在棧中為最高，則應(yīng)該使用該水平。當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生某特殊事件時(shí)，例如一次任務(wù)切換，則要從棧底開(kāi)始向上重新對(duì)不同的預(yù)測(cè)進(jìn)行評(píng)估，以導(dǎo)出一個(gè)唯一的總體性能預(yù)測(cè)。

與 IEM 軟件一起聯(lián)合工作的是 Intelligent EnergyController（智能能量控制器，IEC）部件。IEC 是一個(gè) APB 外設(shè)，它可以快速地集成到任何基于 AMBA 規(guī)范的 SoC 設(shè)計(jì)中。IEC 使用精密計(jì)數(shù)器和定時(shí)器測(cè)出當(dāng)前的系統(tǒng)性能水平，并將其送給軟件，以確保處理器的性能永遠(yuǎn)能夠滿足軟件工作負(fù)荷的最低要求。它還將大部分軟件測(cè)量活動(dòng)下載給硬件，從而減少了處理器上 IEM 軟件的開(kāi)銷。

IEC 部件還提供一個(gè)對(duì)性能調(diào)整硬件的抽象。從軟件的角度看，當(dāng)工作負(fù)載變化而且預(yù)測(cè)被修改時(shí)，才向 IEC 提交一個(gè)新的性能級(jí)別請(qǐng)求。這種性能級(jí)別的實(shí)現(xiàn)則用抽象方法對(duì)軟件進(jìn)行隱藏。ARM 的 IEM 軟件部件優(yōu)化功耗的性能設(shè)定算法是基于工作負(fù)荷的差異，與之類似，國(guó)家半導(dǎo)體的PowerWise 技術(shù)也根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境狀況以及各器件間的工藝差異，通過(guò)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)來(lái)確保處理器不會(huì)在最差的情況下工作。

國(guó)家半導(dǎo)體用于自適應(yīng)電壓調(diào)整或動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整的 PowerWise 技術(shù)的核心是一個(gè)低門數(shù)、綜合的數(shù)字部件，名叫 Adaptive Power Controller（自適應(yīng)功率控制器，APC）。APC 包括硬件性能監(jiān)控器，它可以準(zhǔn)確地監(jiān)控處理器的功耗，跟蹤溫度以及不同器件工藝的變化。APC 與片外能量管理單元（EMU）的通信通過(guò)一個(gè)雙線、雙向總線進(jìn)行，這個(gè)總線叫 PowerWise 接口（PWI）。

圖 5 顯示了完整的端到端參考解決方案，它使用了 ARM 公司的 IEM 和 IEC 部件，以及國(guó)家半導(dǎo)體公司的 APC 和 EMU 部件。

由 ARM 的 IEM 預(yù)測(cè)出的總體性能級(jí)別通過(guò) IEM 硬件部分的抽象層傳送給 APC。APC 自適應(yīng)地調(diào)整供電電壓，以覆蓋內(nèi)核工藝和當(dāng)時(shí)的運(yùn)行條件，滿足特定的性能要求。

在設(shè)計(jì)時(shí) IEC 可以配置為連接到片上特別設(shè)計(jì)的時(shí)鐘管理單元（CMU）和 APC 部件。CMU 負(fù)責(zé)為處理器提供與所需性能級(jí)別相適應(yīng)的時(shí)鐘頻率。APC 負(fù)責(zé)管理片外 EMU，為處理器內(nèi)核提供能滿足所需性能級(jí)別的最低電壓，同時(shí)還要考慮當(dāng)前內(nèi)核工藝與溫度狀況。由 IEC 部件來(lái)協(xié)調(diào)管理時(shí)鐘頻率與電壓的變化，以保證任何時(shí)候兩者的組合都是有效的，并且不同性能級(jí)別之間的轉(zhuǎn)換要順利，而且在時(shí)鐘產(chǎn)生方案與外部 EMU 的限制下轉(zhuǎn)換要盡可能快。

能量管理的最大限度ARM 與國(guó)家半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出了這些先進(jìn)的能量管理解決方案，可 以協(xié)助 OEM 廠商實(shí)現(xiàn)他們的手持式電池供電產(chǎn)品的電池壽命最大化（電池壽命現(xiàn)在是最終用戶真正關(guān)心的幾個(gè)關(guān)鍵要素之一）。整個(gè)解決方案具有部件化的特性，這意味著該技術(shù)可以自我調(diào)整去適應(yīng)各種性能調(diào)整硬件，包括 DVS 和 AVS。IEM 預(yù)測(cè)軟件決定了處理器可以運(yùn)行的最低性能級(jí)別，同時(shí)通過(guò) IEC 的幫助，也確保永遠(yuǎn)不會(huì)低于軟件的最低界線。APC 用性能預(yù)測(cè)與外部 EMU 一起工作，使處理器運(yùn)行在能保證應(yīng)用軟件正確運(yùn)行的最低電壓和頻率下。在已確定時(shí)鐘發(fā)生器、供電電壓動(dòng)態(tài)范圍，以及混合應(yīng)用軟件可用余量等限制條件下，這一完整的解決方案能將處理器的功耗降低到最低程度。

ARM 智能能量管理技術(shù)可以用于降低一個(gè)嵌入式處理器的能量需求，最高可達(dá)75%。國(guó)家半導(dǎo)體公司的 PowerWise 技術(shù)可以減小安全裕度，并進(jìn)一步減少能耗，與開(kāi)環(huán)電壓控制方案相比，在室溫下使用 AVS 可以再節(jié)省 45% 的能耗。通過(guò)模擬工作與測(cè)試芯片顯示，結(jié)合使用 IEM 和 PowerWise 技術(shù)可以把智能手機(jī)和 PDA 這類產(chǎn)品的總能耗降低 30%，這對(duì)增加電池壽命有相當(dāng)大的好處，同時(shí)還可以減小產(chǎn)品體積或降低成本。

正如前面所說(shuō)，在一個(gè)典型設(shè)計(jì)中，處理器只是許多耗能部件中的一個(gè)。當(dāng) IEM 和 PowerWise 技術(shù)進(jìn)入實(shí)用時(shí)，預(yù)計(jì)它們將被用于在一片 SoC 中，用于控制其它器件。