Оптимизация потребления является важной задачей для аппаратуры, основанной на цифровых сигнальных процессорах (DSP), но цель эта часто труднодостижима. Современное оборудование на основе DSP зачастую охватывает ранее самостоятельные области применения и в каждой области аппаратура может иметь множество рабочих режимов. Разработка профиля потребления такого устройства в целом очень сложна. Разработчикам нужна самая точная доступная информация, методы и средства, помогающие оптимизировать потребление в соответствии с особенностями применения.

Осознавая эту необходимость, компания TI разработала более совершенные способы сокращения потребления DSP семейства TMS320C55x^TM с использованием архитектуры микросхемы и технологии производства. Встроенные средства оптимизации обеспечивают более детальное управление и большее количество режимов пониженного потребления. Средства разработки устройств на базе C55x^TM заставляют инженеров обратить внимание на энергопотребление устройств и искать новые методы его снижения в зависимости от использования встроенных аппаратных средств. Возможности управления потреблением, встроенные в операционную систему реального времени DSP/BIOS^TM компании TI, позволяют разработчикам снизить энергопотребление. При использовании встроенных возможностей и средств совместно с грамотной разработкой прибора, можно значительно снизить энергопотребление аппаратуры на DSP.

ВОПРОСЫ НИЗКОГО ПОТРЕБЛЕНИЯ

Низкое потребление важно для всех систем на DSP, хотя основания для этого несколько меняются в зависимости от применения. В системах, питающихся от сети, снижение потребления уменьшает затраты на функционирование, повышает надежность и позволяет создавать компактные устройства, что повышает функциональность в тех же габаритах, не требует вентиляторов и иных методов охлаждения. В ответственных приложениях, как, например, высокоточное медицинское оборудование, выделяемое тепло может вызвать проблемы функционирования, влияющие на применение оборудования, так что низкая рассеиваемая мощность является в данном случае основным требованием.

В портативных электронных приборах низкое потребление позволяет минимизировать габариты и массу, максимально увеличивая время работы без подзарядки батареи. А при использовании батарей меньшего размера можно добиться более компактных габаритов устройства. Пониженное потребление предотвращает нагрев портативной аппаратуры при длительной работе. Сотовые телефоны, карманные компьютеры, MP3-проигрыватели, цифровые фото- и видеокамеры, электронные измерительные приборы - эти и другие переносные устройства при низком потреблении могут иметь уменьшенные габариты, меньший нагрев при работе и более длительное время работы между подзарядками.

ПОНИМАНИЕ ПРОФИЛЕЙ ПОТРЕБЛЕНИЯ И РЕСУРСОВ ПРОЦЕССОРА 

Первым шагом к снижению потребления в любых системах является понимание того, как система используется и как это использование отражается на потреблении. Например, сотовый телефон большую часть времени находится в режиме ожидания вызова и соответственно меньшую часть времени - в режиме разговора. С другой стороны, MP3-проигрыватель обычно находится или в рабочем режиме, или в выключенном состоянии. Другие устройства, как с питанием от сети, так и портативные, имеют различные профили режима ожидания и активной работы.

Понимание этого профиля может помочь разработчику в выборе экономичного процессора, так как КМОП-технология, заложенная в основе DSP, может существенно повлиять на потребление в зависимости от условий применения. Усовершенствованный КМОП-технологический процесс основан на быстродействующих транзисторах, работающих при крайне низком напряжении питания. Компания TI является промышленным лидером по подстройке технологического процесса изготовления транзисторов в соответствии с требованиями определенного устройства на DSP. В зависимости от условий применения, транзисторы могут иметь или минимальную потребляемую мощность при ограничении тока покоя, или максимальное быстродействие при чуть большем токе утечки. DSP производства компании TI, разработанные для приложений с длительным нахождением в режиме ожидания, например, для сотовых телефонов, имеют минимальный ток покоя при использовании транзисторов с низким током утечки. В то же время, в компонентах, разработанных для высокопроизводительных приложений, всегда находящихся в активном режиме, преимущественно используются транзисторы с быстрым переключением.

На применение аппаратуры также влияет ее реакция на внешние события и время выхода в рабочий режим. Существует некоторая задержка при первоначальном включении системы, а при выходе системы из режима ожидания допустимая задержка должна быть как можно меньше. Но пользователи обычно ждут немедленной реакции аппаратуры, находящейся в активном режиме, поэтому в это время встроенная периферия микросхемы не может быть полностью отключена. Здесь следует рассматривать два аспекта. Первый - некоторые функции могут быть выключены более основательно, особенно в режиме ожидания, но также и в активном режиме. Второй - чем более детально процессор позволяет управлять режимами потребления, тем лучше разработчик сможет подстроить потребление в соответствие с рабочим профилем системы.

Архитектура экономичных микросхем DSP C55x^TM учитывает эти аспекты, создавая области потребления, позволяющие отключать тактовые входы не используемых периферийных устройств. Процессорное ядро может перейти в режим отключения, в котором оно не выполняет операций, пока не будет выведено из этого состояния по прерыванию. Периферийные устройства и области памяти также могут быть отключены при необходимости. Транзисторы нетактируемых устройств потребляют только ток покоя, а время, требуемое для подачи тактового сигнала - минимально. При изучении профилей работы изделий необходимо знать, какие возможности управления предоставляет DSP C55x^TM, и какие функции управления обрабатываются автоматически относительно тактового сигнала каждого блока.

Еще одной энергосберегающей особенностью DSP C55x^TM является возможность масштабно изменять напряжение питания и частоту ядра. Если DSP сможет снижать частоту тактового сигнала ядра и соответствовать при этом функциональным требованиям, то это приведет к пропорциональному уменьшению потребления в активном режиме. А если вдобавок к снижению частоты снизить рабочее напряжение питания, то можно добиться еще более существенного снижения потребления. Напряжения и частоты могут быть изменены при включении для всех режимов работы системы, или, при необходимости - программно, динамически, обеспечивая сокращение потребления при отсутствии пиковой нагрузки.

ПОЛУЧЕНИЕ ТОЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ПОТРЕБЛЕНИЮ

Существующее множество ядер, приложений и режимов потребления может сделать оценку потребления сложных DSP-систем весьма затруднительной. Традиционные способы определения потребления основаны на такой информации, как значение максимального тока, указанного в спецификации на элемент; график зависимости потребляемого тока от тактовой частоты или количества выполняемых команд (мА/МГц, мА/млн. операций в секунду) и условия испытаний. Эта информация носит синтетический характер для всей микросхемы. Будучи приемлемыми для оценки наибольшего значения, эти способы неприменимы для оценки потребления DSP в составе сложной системы. В таких системах ядра, периферийные устройства и внутренняя память могут независимо включаться и выключаться при изменении области применения и режимов работы. Разработчикам нужна наглядность потребления различных внутренних функциональных блоков в реальных приложениях. Реальная информация о потреблении позволяет им более точно оценивать влияние различных вариантов реализаций приложения и даже определять, как влияет реализация устройства на различных платформах на его потребление.

Компания TI предлагает модульный подход к оценке потребления. Суть этого подхода в том, что прибор делится на подсистемы, а затем каждая подсистема обрабатывается отдельно. Определив максимальное значение потребления и значение потребления в режиме покоя для каждого внутреннего функционального блока, можно создать для каждого блока кривую потребления методом интерполяции. Когда уровень функционирования каждого блока определен, то, сложив индивидуальные кривые, получим суммарную оценку для всего прибора.

Рис. 1. Таблица оценки потребления

На рисунке 1 приведена таблица оценки потребления, основанная на данном подходе. Таблица разбивает DSP C55x на подсистемы, принимает параметры пользователя и возвращает оценку потребления прибора. Как видно из таблицы, действительная оценка основана на пользовательской информации, в том числе таких параметрах, как разрядность данных, частота, напряжение питания и процент использования пропускной способности задействованных периферийных устройств.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ С НИЗКИМ ПОТРЕБЛЕНИЕМ

Методы проектирования, основанные на понимании потребления, помогают разработчикам DSP систем получить полное преимущество оценки действительного потребления. На системном уровне разработчик должен тщательно подходить к выбору компонентов, количество их должно быть минимальным. Дополнительно разработчик должен учитывать выключение незадействованных в определенный момент компонентов, особенно в режиме ожидания. Использование внешней памяти также ведет к повышению энергопотребления, так как приходится питать и микросхемы памяти и проводники платы. Внешняя энергонезависимая память, необходимая для загрузки, может быть отключена после запуска. Программное обеспечение должно быть оптимизировано по быстродействию для уменьшения остатков кода в памяти и очередей команд. Более компактный код позволяет лучше использовать кэш-память и внутренние буферы команд. А если программа работает быстрее, то сокращается время нахождения системы в активном режиме.

Встроенные аппаратные возможности DSP C55x^TM дают шанс реализовать большинство способов снижения потребления в приборе. После запуска приложение может перевести в режим ожидания неиспользуемые области, ограничивая потребление только устройствами ввода-вывода, необходимыми в данный момент. Обычно приложение управляет областями непосредственно при загрузке, но ядро DSP также может в фоновом режиме проверить неиспользуемые функциональные блоки и выключить их. Если приложение использует данные методы, то режимы пониженного потребления устройств помогают минимизировать энергопотребление ядра и областей периферии во время ожидания.

Структура DSP C55x^TM позволяет масштабно изменять напряжение питания и частоту (V/F) при загрузке ядра, если требуемая общая производительность не требует использования полных возможностей прибора. Масштабное изменение напряжения питания и частоты может производиться динамически во время работы, если, скажем, в системе происходит выбор режимов с различной загрузкой по производительности. Для изменения напряжения питания и частоты, наряду с программным управлением в фоновом цикле, конструкция должна обеспечивать внешнее управление напряжением питания DSP. Так как изменение частоты замедляет скорость выполнения команд ядра, разработчик должен учитывать при проектировании время выполнения команд, на которые это может повлиять.

УПРАВЛЕНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЕМ В ОС

Динамическое изменение требований к потреблению DSP C55x^TM, масштабным изменением напряжения питания и частоты или использованием режимов пониженного потребления, облегчается при использовании операционной системы реального времени (RTOS) DSP/BIOS^TM компании TI. Модуль управления питанием (PM) вместе с RTOS реализует экономию потребления во время загрузки и координирует выполнение многих команд снижения потребления по всей системе. Изменение частоты ядра может повлиять на время выполнения периферийных команд, так что модуль PM имеет возможность изменять тактовую частоту микросхемы DSP после выполнения команды изменения частоты. Если приложению не нужна точность тактового сигнала ОС или пользователь не желает увеличивать объем кода, эта возможность модуля PM может быть отключена. Дополнительно пользователь может включить или выключить функцию модуля PM, которая автоматически отключает тактовые сигналы периферийных устройств при остановке потоков данных. При координации, модуль PM организует реестр записи событий потребления так, чтобы клиенты имели возможность записывать состояние регистров, если произойдет определенное событие управления питанием. В зависимости от сложности системы, модуль PM поддерживает многочисленные варианты клиентов и позволяет клиентам завершать отложенные события.

Модуль PM также экспортирует библиотеку интерфейса прикладных программ (API), которая дает возможность программного управления методами пониженного потребления микросхемы. Через API приложение может блокировать тактовые сигналы, активизировать режимы отключения и безопасно управлять переходом между уставками масштабного изменения напряжения питания и частоты. Уставки - это разрешенные сочетания напряжения питания ядра и рабочей частоты. Библиотека управления питанием гарантирует безопасный переход между уставками. На рисунке 2 показано, как уставки управляют временем изменения напряжения питания и частоты. Так как реализация изменения напряжения питания и частоты зависит от конкретного DSP и стабилизатора напряжения, используемых в приборе, библиотека API модуля PM поддерживает очереди и конфигурацию уставок и задержек. Библиотеку модуля PM можно скомпоновать заново.

Рис. 2. Установки масштабного изменения напряжения питания и частоты

СТАРТОВЫЙ НАБОР РАЗРАБОТЧИКА (DSK) ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПОТРЕБЛЕНИЯ TMS320C55xTM

Для эффективного применения всех перечисленных способов требуются средства управления потреблением. Параллельно с разработкой других средств для DSP, компания TI представила средства оптимизации потребления, которые, обеспечивая наглядность и легкость в использовании, упрощают анализ системы и ускоряют выход готовой продукции. Они работают с такими встроенными в DSP C55x^TM и RTOS устройствами управления питанием, как измерители, осциллограф, калибровка канала, тестовый код, запуск по событию и так далее. Имея в руках такие возможности исследования, разработчик получает механизм обратной связи для оценки влияния различных вариантов исполнения на потребление. На рисунке 3 показано, как средства оптимизации потребления интегрируются в цикл разработки кода.

Рис. 3. Оптимизация потребления и разработка кода 

Рис. 4. Аппаратная часть стартового набора разработчика для оптимизации потребления C55x^TM

Компания TI собрала вместе аппаратную часть, программное обеспечение и средства разработки для экономичного DSP в стартовом наборе для оптимизации потребления DSP C55x^TM, имеющего обозначение TMDSDSK5509. Аппаратная часть DSK, показанная на рисунке 4, включает оценочный модуль (EVM) Spectrum Digital^TM, имеющий следующие возможности:

• экономичный DSP TMS320C5509A;
• 16 Мбайт SDRAM;
• порт USB;
• стерео кодек AIC23;
• поддержка SD и других интерфейсов;
• разъемы для подключения плат расширения;
• средства измерения потребления порта USB.

Программное обеспечение TI для DSK включает интегрированную среду разработки (IDE) Code Composer Studio^TM, RTOS DSP/BIOS^TM, компилятор, ассемблер, компоновщик, базовое программное обеспечение и библиотеку поддержки микросхемы. Все эти средства и основные блоки для создания программного обеспечения упрощают задачу разработки системы на DSP для оценки, и затем провести ее через весь цикл разработки до производства.

Разъем для измерения потребления по порту USB соединяет плату DSK с ПК через плату анализатора питания, поставляемую компанией National Instruments. Основанный на разработанной NI системе сбора данных по интерфейсу USB, анализатор питания состоит из 14-разрядного АЦП с частотой дискретизации 40 Квыборок/сек, четырех аналоговых входов для измерения тока и контроля переключения и восьми цифровых входов для контроля частоты и переключения напряжения ядра. Анализатор для оптимизации потребления функционирует под управлением виртуальной измерительной системы LABView^TM, совместно с драйвером и прикладным программным обеспечением.

В дополнение к программам установки и конфигурации прикладное программное обеспечение NI включает мастер калибровки каналов (Channel Calibration Wizard), который обеспечивает полную калибровку тракта от датчика до программы, повышая тем самым точность измерения. При необходимости к измерительной системе NI для оптимизации потребления могут быть добавлены дополнительные средства графического программирования и измерения NI с открытым кодом для удобства пользователей. На рисунке 5 показан графический пользовательский интерфейс программного обеспечения стартового набора для оптимизации потребления DSP.

Рис. 5. Графический пользовательский интерфейс программы LABView^TM для DSK TMS320C55x^TM

При использовании стартового набора для профилирования потребления, разработчик может просто установить начальную и конечную точки запуска, используя интегрированную среду разработки Code Composer Studio^TM. Так как точки запуска DSP запускают систему сбора данных анализатора питания, потребление может быть измерено и отображено программой LABView^TM. Совместное использование аппаратуры и средств стартового набора DSP помогает разработчикам оценить потребление DSP C55x^TM при различных вариантах проектирования. Разработчики при этом экономят время и получают лучшее сочетание низкой мощности потребления и высокого быстродействия их систем.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ОСНОВАННОЕ НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИИ

К оптимизации потребления при разработке DSP-систем иногда относятся как чему-то вторичному, но так быть не должно. Чем раньше в процессе разработки это будет учитываться, тем лучше, особенно это касается сложных систем со множеством областей применения и режимов работы. В портативных системах низкая потребляемая мощность обычно является основным требованием для того, чтобы продлить время работы батарей. Но даже в системах с питанием от сети необходимо ограничивать рассеивание тепла, что при потреблении меньшего тока снизит стоимость прибора. С целью оптимизации потребляемой мощности разработчику нужно определить профиль потребления системы, затем обратиться к средству разработки, которое учитывает все основные функции системы для получения оценки потребления.

DSP TMS320C55x^TM, основанный на экономичном технологическом процессе КМОП, интегрирует более детальное определение режимов пониженного потребления с масштабным изменением напряжения питания и частоты. Интерфейс прикладных программ (API) делает эти методы доступными приложениям для управления посредством RTOS DSP/BIOS^TM. Тестовые средства помогают разработчику оценивать различные варианты реализации с точки зрения потребления. В связи с доступностью всех этих средств, можно начинать создание новых приборов, основываясь прежде всего на новых методах экономии потребления. Оригинал статьи: http://focus.ti.com/lit/an/spry089/spry089.pdf. 

Вернуться к содержанию номера