先進的電壓控制要求

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

　　嵌入式處理器被設計成能在寬廣的溫度范圍內(nèi)工作和適應不同的硅工藝。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 電路的速度會隨溫度的升高而減慢，這一效應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，這些保護帶(guard-b ands)可以相當寬，從而對總體功耗有顯著的影響。

　　可以用大量的特性來構建一個頻率與電壓對照表，以確保在所有工作條件下都能滿足性能要求。然后把一個確定的電壓／速度集合以硬編碼方式寫到芯片中。在實際工作中，SoC 上定制的軟件驅(qū)動通過一個專門的硬件接口來設定所需電壓級別。在改變時鐘頻率前，必須通過一個定時器或其它方法來檢查穩(wěn)定電壓狀態(tài)（VDD_OK）。

　　自適應電壓調(diào)整(AVS)方法是一種閉環(huán)控制技術，它比 DVS 有明顯的改進。AVS 采用固有的對工藝與溫度變化的補償，簡化了電壓調(diào)整的方法，不再需要頻率／電壓表。這種技術的實現(xiàn)需要與嵌入式處理器協(xié)同使用幾個硬件性能監(jiān)控器，由它們接收從性能設定算法送來的更改性能級別的請求。這些性能監(jiān)控器可以準確地監(jiān)控內(nèi)核內(nèi)外的工藝與溫度變化情況，并且通過標準接口與外部的能量管理單元(EMU)進行通信。

　　ARM-國家半導體能量管理解決方案

　　ARM公司一直在研究一種對性能調(diào)整硬件進行智能控制的解決方案。美國國家半導體公司則一直在研究一種智能控制供電電壓、簡化 DVS 方法以及通過 AVS 減小安全裕度的解決方案。兩家公司現(xiàn)在已經(jīng)可以給電池供電設備的開發(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）解決方案以一個軟件部件為中心，即 Intelligent Energy Management 軟件。IEM 軟件與運行在應用軟件下的操作系統(tǒng)(OS)相互銜接，使用從 OS 內(nèi)部架構獲得的參數(shù)，通過正在運行的應用程序“指導” OS 的使用。可以用一些復雜的軟件算法來評價不同類型的軟件活動，然后產(chǎn)生一個對未來性能的預測。每個預測結(jié)果用一個評測棧來加總，以確定出一個總體的性能預測。
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　　策略棧的工作情況顯示在圖 4 中。每個算法都把自己的預測作為一種性能級別 (PeRF.)送進棧中，每個預測都有一個相關的指令指出當前預測的權重，如果信任水平為低則 IGNORE（放棄該預測），如果為高則 SET（指定該預測），SET_IFGT 表示如果該預測的信任水平在棧中為最高，則應該使用該水平。當系統(tǒng)中發(fā)生某特殊事件時，例如一次任務切換，則要從棧底開始向上重新對不同的預測進行評估，以導出一個唯一的總體性能預測。

　　與 IEM 軟件一起聯(lián)合工作的是 Intelligent Energy Controller（智能能量控制器，IEC）部件。IEC 是一個 APB 外設，它可以快速地集成到任何基于 AMBA 規(guī)范的 SoC 設計中。IEC 使用精密計數(shù)器和定時器測出當前的系統(tǒng)性能水平，并將其送給軟件，以確保處理器的性能永遠能夠滿足軟件工作負荷的最低要求。它還將大部分軟件測量活動下載給硬件，從而減少了處理器上 IEM 軟件的開銷。

　　IEC 部件還提供一個對性能調(diào)整硬件的抽象。從軟件的角度看，當工作負載變化而且預測被修改時，才向 IEC 提交一個新的性能級別請求。這種性能級別的實現(xiàn)則用抽象方法對軟件進行隱藏。ARM 的 IEM 軟件部件優(yōu)化功耗的性能設定算法是基于工作負荷的差異，與之類似，國家半導體的 PowerWise 技術也根據(jù)當時的環(huán)境狀況以及各器件間的工藝差異，通過調(diào)整運行參數(shù)來確保處理器不會在最差的情況下工作。

　　國家半導體用于自適應電壓調(diào)整或動態(tài)電壓調(diào)整的 PowerWise 技術的核心是一個低門數(shù)、綜合的數(shù)字部件，名叫 Adaptive Power Controller（自適應功率控制器，APC）。APC 包括硬件性能監(jiān)控器，它可以準確地監(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）的通信通過一個雙線、雙向總線進行，這個總線叫 PowerWise 接口（PWI）。
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　　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，以及國家半導體公司的 APC 和 EMU 部件。

　　由 ARM 的 IEM 預測出的總體性能級別通過 IEM 硬件部分的抽象層傳送給 APC。APC 自適應地調(diào)整供電電壓，以覆蓋內(nèi)核工藝和當時的運行條件，滿足特定的性能要求。

　　在設計時 IEC 可以配置為連接到片上特別設計的時鐘管理單元（CMU）和 APC 部件。CMU 負責為處理器提供與所需性能級別相適應的時鐘頻率。APC 負責管理片外 EMU，為處理器內(nèi)核提供能滿足所需性能級別的最低電壓，同時還要考慮當前內(nèi)核工藝與溫度狀況。由 IEC 部件來協(xié)調(diào)管理時鐘頻率與電壓的變化，以保證任何時候兩者的組合都是有效的，并且不同性能級別之間的轉(zhuǎn)換要順利，而且在時鐘產(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 與國家半導體開發(fā)出了這些先進的能量管理解決方案，可 以協(xié)助 OEM 廠商實現(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心的幾個關鍵要素之一）。整個解決方案具有部件化的特性，這意味著該技術可以自我調(diào)整去適應各種性能調(diào)整硬件，包括 DVS 和 AVS。IEM 預測軟件決定了處理器可以運行的最低性能級別，同時通過 IEC 的幫助，也確保永遠不會低于軟件的最低界線。APC 用性能預測與外部 EMU 一起工作，使處理器運行在能保證應用軟件正確運行的最低電壓和頻率下。在已確定時鐘發(fā)生器、供電電壓動態(tài)范圍，以及混合應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 智能能量管理技術可以用于降低一個嵌入式處理器的能量需求，最高可達75%。國家半導體公司的 PowerWise 技術可以減小安全裕度，并進一步減少能耗，與開環(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。通過模擬工作與測試芯片顯示，結(jié)合使用 IEM 和 PowerWise 技術可以把智能手機和 PDA 這類產(chǎn)品的總能耗降低 30%，這對增加電池壽命有相當大的好處，同時還可以減小產(chǎn)品體積或降低成本。

　　正如前面所說，在一個典型設計中，處理器只是許多耗能部件中的一個。當 IEM 和 PowerWise 技術進入實用時，預計它們將被用于在一片 SoC 中，用于控制其它器件。

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