如何選用合適DSP元件進行低功率設計

　　選擇適當架構

　　調整應用功耗的另一種做法是選擇最適當的功能整合度、運算處理單元和記憶體架構。

　　週邊和記憶體的整合

　　元件和外部零件需要透過電路板互傳訊號，有可能是系統功耗的主要來源，因為經由電路板傳送訊號需要比晶片功能整合還高的電壓，電路板訊號線的寄生電容也會造成功耗。

　　運算處理單元的調整

　　以系統單晶片為主的現代元件可以選擇不同類型的運算處理單元：

　　DSP

　　專門執行訊號和影像處理演算法的處理器，內建多組應用最佳化硬體運算邏輯單元和乘法器，能以極高效率執行標準訊號處理演算法。這類元件具備完整的可程式能力，可以輕松支援未來出現的新標準。

　　通用處理器

　　ARM處理器就是例子，其主要用來執行一般性功能，例如圖形化使用者界面、網路堆疊（network stack）和整體系統控制。由于它們不必整合DSP功能所需的運算處理單元，所以執行一般性功能時功耗就比較小。

[next]

　　特殊用途硬體協同處理器

　　只包含特定功能所需的算術單元和控制電路。如果應用功能的定義很明確，又不太可能改變，即可將該功能整合到硬體協同處理器。舉例來說，整合了Viterbi和Turbo處理器的DSP，便可專門執行3G基地臺標準所要求的前向錯誤更正（FEC）。

　　今日的系統單晶片多半會整合前述多種運算處理單元。有些架構會採用多種不同類型的運算處理單元，然后將不同的功能交給最適當的核心執行。DSP可以高效率執行訊號處理，RISC則適合處理系統控制和使用者界面等工作。由于每個運算處理單元都以實際所需的速度執行最擅長的工作，故能將功耗減至最??；相形之下，若只用一個運算處理單元執行所有功能，其時脈頻率就必須更高，同時還要包含更多硬體，其中有些部份可能經常處于閑置狀態。換言之，這類設計的工作效率必然較低，而在工作效率就等于電源效率的情形下，其功耗必然更高。

　　記憶體系統的選擇

　　元件若想避免存取外部記憶體，也可將應用所需的記憶體全部整合至晶片內。然而視訊或影像系統之類的應用卻需要極為龐大的記憶體，將它們全部整合至晶片所需的成本可能遠超過直接在電路板上增加DRAM的費用。這類應用可以利用快取架構來減少外部記憶體的存取次數，進行降低系統總功耗。

　　就算元件包含全部所需的記憶體，快取也能幫助它們降低功耗。這類元件可以將少量的第一層快取記憶體直接連線到處理器，使其儲存主記憶體中最常用的內容。主記憶體則是第二層記憶體，其速度通常較慢，所用的記憶體方塊也比第一層快取更省電。由于處理器的多數存取動作都會命中第一層快取記憶體，這些記憶體又採用電容值較小的結構，所以每次存取動作的功耗就變得更低。

　　封裝與功耗

　　前述所有省電技術都能幫助元件減少產生熱量，封裝則能透過高效率散熱進一步加強它們的效果。傳統的風扇、散熱空間或

　　散熱片都不適合空間有限的可攜式應用，它們的高度或成本也可能超過插入式模組或汽車應用所能接受的范圍；相形之下，金屬散熱蓋或散熱層雖會增加元件成本，卻能提供更高散熱效率。有些元件還將散熱錫球連接到元件的散熱接地面，由它透過電路板來達成更良好的散熱效果。

　　選擇適當技術

　　電池供電型應用

　　可攜式或掌上型應用最重視電池壽命，但可攜式應用使用電池的方式卻有極大差異?？蓴y式產品有許多不同的操作模式，設計人員必須將這些模式列入考慮才能讓電池享有最長壽命。

　　MP3播放機

　　由于歌曲下載時間只佔播放少部份的時間，這類產品的電力多半用于歌曲播放。為了將待機功耗減到最少，它們還會在一段時間后自動關機。MP3播放機必須將音樂即時解壓縮，避免資料流失造成各種雜音。MP3播放機的效能需求遠小于視訊處理或寬頻通訊等其它應用，所以最適合使用低功耗DSP。這類元件通常會採用低漏電制程，因為漏電仍是主要功耗來源。它們還能採用頻率調整技術，以便根據歌曲所需的解碼效能來降低元件的時脈頻率。

　　數位相機

　　這類產品有多種操作模式，包括：

　　(1)自動關機的待機模式；

　　(2)預視模式（等待拍攝相片）；

　　(3)拍照模式（實際拍攝相片以及處理和壓縮影像）；

　　(4)錄影模式（部份相機具備此功能）。

　　數位相機的螢幕有時會開啟很長的時間，但DSP真正執行影像壓縮的時間卻很短。數位相機在預視模式和拍攝模式都必須執行許多即時處理作業，在預視模式必須不斷顯示最新畫面，在拍攝模式則要盡快完成相片的處理和壓縮，以便繼續拍攝下一張照片，進而將兩次拍攝之間的延遲時間縮到最短。這種DSP包含多種不同的運算處理單元：

　　●ARM7核心，負責系統控制功能和使用者界面；

　　●TMS320C54x處理器；

　　●SIMD影像處理引擎（iMX），提供可程式影像處理功能；

　　●可變長度編碼和解碼（VLC/VLD）協同處理器，負責影像和視訊的壓縮與解壓縮；

　　●預視引擎，即時顯示預視畫面以及數位變焦。

　　它還具備很高的功能整合度，可以縮小產品體積和減少系統功耗：

　　●多用途的OSD功能；

　　●彩色液晶螢幕的數位界面；

　　●CompactFlash、SmartMedia、Secure Digital以及Memory Stick記憶卡界面；

　　●多通道10位元數位類比轉換器，負責提供NTSC/PAL復合視訊輸出；

　　●多通道串列音訊Codec界面（McBSP）；

　　●晶片內建USB 1.1功能控制器。

　　這類裝置可以選定某些很少使用的功能，然后在它們處于閑置狀態時切斷時脈訊號。舉例來說，預視和待機模式可能不需要iMX和VLD/VLC功能方塊，相機未連接至個人電腦時則可將USB界面的電源關掉。

　　行動電話

　　標準行動電話有兩種電源模式：

　　(1)等待電話的待機模式；

　　(2)實際撥打電話的通話模式。

　　處于待機模式時，數據機功能（在等待電話時）會以低功耗模式操作，應用功能（數位語音編碼和解碼）的電源則可完全切斷。手機進入通話模式后，數據機功能和應用功能就會在功耗較高的模式下操作。低耗電制程已能滿足這類手機的處理需求，因此許多產品都採用這種制程以節省電力，此時產品凈功耗與每種模式所佔用的時間有關。它們還能使用電壓和頻率調整技術，以便根據操作模式的作業需求來調整元件功耗。先進手機還增加數位相機、MP3和錄影功能，所以其操作模式也變得更多。為了支援這些操作模式，行動電話通常會採用不同類型處理器所組成的異質架構，由DSP和各個操作模式專用的硬體加速器來執行數據機和相機等應用所需的訊號處理功能，再由DSP搭配負責使用者界面和系統控制功能的RISC處理器。如果某個模式不會用到加速器功能，系統也可切斷它們的電壓或時脈，例如待機模式不需要使用者界面時，可將RISC核心的電源關機。

　　可攜式應用會視需要採取各種省電技術，以便將重要操作模式的功耗減到最低。

　　基礎設施系統

　　封包語音（VoIP）或基地臺收發器等設備所用的無線和有線基礎設施雖屬于「插入式」應用，卻仍須在不同的功耗限制下操作。有些系統會在電源供應和系統散熱能力已經固定的機架上，增加新的功能單元或通道容量，這些系統通常必須在室內空調系統故障時繼續正常操作。每個機架的總功耗都不能超過現有電源供應的供電能力，電源供應會將電源提供給機架上的電路板，每張電路板再將電源分配給電路板上的不同元件。隨著半導體元件日益精密，晶片還能提高操作頻率或內建多顆DSP處理器來支援更多通道。另一方面，不斷縮小的電路結構卻讓晶片產生更多功耗，因此透過封裝提高散熱效率也變得更重要。由于這些系統必須非?？煽?，所以在分析其電源和散熱需求時，應將所有處理器都在最大負載下工作的情況列入考慮。

　　為了降低滿負載的操作功耗，這類系統多半會採用在較低電壓下操作的高效能制程，并且搭配對于任何應用都有幫助的多時脈域和時脈閘控技術。這些系統不會利用多電壓域技術降低功耗，因其包含大量而密集的處理器，此時若採用多電壓域技術會