摘要

本文讨论影响高性能DSP功耗的因素，介绍一些DSP功耗的优化方法。 随着嵌入式应用需求的不断提高，DSP的速度也不断提高。现在常见的高性能DSP速度已达到1GHz，TI(Texas Instruments)的TMS320C6455最高速度已达到1.2GHz。然而，DSP的功耗也随着DSP的速度提升而快速增加。DSP功耗越来越成为DSP工程师关注的重要问题。 另外，1.2GHz目前几乎是DSP速度的上限，主要原因还是功耗的限制。更高速度DSP所带来的高功耗的负面影响已超过了其在性能方面带来的好处。基于这个原因，现在普遍采用的提高DSP性能的技术是在单芯片内集成更多的核，而不是单纯提高单核的运行速度。

影响DSP功耗的因素

数字电路的功耗不外乎两种：一种是动态功耗，消耗于逻辑的转换；另一种是静态功耗，由于CMOS晶体管存在的各种泄漏造成。对于较老的DSP，或者说基于大于130nm工艺的DSP，静态功耗可以忽略不计；但随着工艺不断精微，静态功耗所占的比例越来越大。

静态功耗

TI在DSP功耗方面一直处于业界领先的地位，下表列出了TI一些基于不同工艺的DSP的典型静态功耗在总功耗中所占的比例。

对于最新的基于65nm工艺的DSP，静态功耗所占的比例达到50％左右。另外，静态功耗也受DSP工作温度的影响，下图列出TMS320C6455在不同温度下的静态功耗。

从上图可以看出，随着工作温度上升，静态功耗呈指数级上升，这使得静态功耗在总功耗中所占的比例进一步提高。另外，值得注意的是，温度升高会增加功耗，而功耗增加又使芯片温度进一步升高，温度和功耗这种互相助长的特性使得DSP散热系统的设计显得更为重要。

动态功耗

当门发生逻辑状态转换并产生内部结点充电所需的开关电流以及P通道及N通道同时暂态开启引起直通电流时，就会出现动态功耗。通过以下公式可以估算其近似值：

其中，Cpd为动态电容，F为开关频率，Vcc为电源电压。上述关系中包含两个重要概念：动态功耗与开关频率呈线性关系，与电源电压呈二次关系。下图列出了TMS320C6455在不同工作频率下的典型功耗。

另外，最大安全开关频率往往取决于电源电压，所以这两者是相互关联的。以TMS320C6455为例，当工作频率小于或等于850MHz时，其要求的核电压为1.2V；而当工作频率大于850MHz时，其核电压必须为1.25V。

DSP功耗优化方法

静态功耗主要取决于芯片的设计和工艺。而实际应用中可采取的主要优化方法是控制温度。常见的散热方法包括散热片和风扇。对于高功耗DSP，散热片是低成本而且有效的散热方式；而风扇的使用则需要仔细考虑更多的因素，如风扇的尺寸，位置，成本及可靠性等等。

优化动态功耗的方法则比较多。在不影响系统性能的前提下，通过降低电压和频率就可能大大降低动态功耗。不过，降低CPU时钟速率也会成比例地延长执行该任务集的时间，因此必须仔细分析应用以确保满足其实时需求。

电压的调节需要特殊的可配置电源的支持，这可能会增加系统的成本；频率的调节则可利用DSP内部自带的可编程PLL来实现，配置不同的倍频系数即可得到不同的频率。为了实现电压/频率的调节，DSP上的软件需要实时监控DSP的负载，根据负载选择功耗最小而又能满足实时处理要求的电压/频率配置。

在DSP电压/频率一定的情况下，DSP动态功耗还受DSP使用率的影响。通常可采用以下方法来降低DSP使用率：

1. 关闭不需要或暂时不使用的外设。例如，TMS320C6455 DSP上，所以的外设模块的时钟都可以通过软件关闭或打开。

2. 空闲时，将DSP置于低功耗或睡眠模式。例如，在TMS320C6455 DSP上可以通过执行IDLE指令来实现。处于IDLE状态的DSP可被任何中断事件唤醒。因此，在等待处理数据时，为了节省功耗，应避免采用查询方式，而采用IDLE与中断结合的方式。 3. 不访问存储器时将其置于低功耗或睡眠模式。例如，TMS320C6455 DSP上，所有片内存储器都可通过软件使其处于低功耗模式，而任何对内存的访问又可使其自动恢复到正常工作模式。外部扩展SDRAM也支持自刷新模式以节省功耗。

为了更进一步降低DSP功耗，还有一些细节值得注意：

1. 充分利用Cache或其它技术减少存储器的访问。例如，TMS320C6455的SPLOOP Buffer和16-bit压缩指令可以减少代码的大小及访问频率。访问外部扩展存储器的功耗往往比访问内部存储器高得多，尽量将频繁访问的数据放在片内，以减少外部存储器的访问。另外，外部SDRAM往往基于突发(Burst)的方式访问，即使你只需要一个字节，存储器也可能会存取8个字，所以对SDRAM的要尽量采用连续大块的访问方式。