數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP） 常用于要求高性能的應(yīng)用領(lǐng)域，從而導(dǎo)致時(shí)鐘運(yùn)行速度不斷提升。任何需要高速運(yùn)行并集成成百上千萬(wàn)晶體管的處理器都需要盡可能地降低功耗。

　　DSP是一種獨(dú)特的微處理器，是以數(shù)字信號(hào)來(lái)處理大量信息的器件。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號(hào)。再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　過(guò)去10 年來(lái)，架構(gòu)創(chuàng)新與低功耗策略推動(dòng)DSP處理能力不斷加強(qiáng)，MIPS性能不斷提升，同時(shí)，其他性能參數(shù)也在迅速得到改進(jìn)。在這種情況下，由于具備這些更高性能的 DSP，諸如手機(jī)與超便攜式音頻播放器等基于DSP的系統(tǒng)的電池使用壽命總體上有了穩(wěn)定而顯著的提升。

　　頭戴式耳機(jī)與其他便攜式消費(fèi)類音頻設(shè)備是要求電源效率的重要范例。此外，工業(yè)與醫(yī)療產(chǎn)品也在不斷向支持功能的高集成度便攜式設(shè)備方向發(fā)展。這些設(shè)備的電源要求在很大程度上與超便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品相似。

　　在DSP技術(shù)取得快速發(fā)展的同時(shí)，微控制器（MCU）系統(tǒng)面臨著不斷降低功耗的壓力。相對(duì)于DSP，MCU 在降低功耗方面擁有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如，其晶體管數(shù)量較少，時(shí)鐘速度較低，而且通常工作電壓也較低。

　　不同于用微安計(jì)算的DSP，電源優(yōu)化的現(xiàn)代MCU的待機(jī)電流可以納安計(jì)。盡管 DSP的性能大大超過(guò) MCU，而且在電源方面也得到了顯著優(yōu)化，但芯片設(shè)計(jì)人員在省電方面可做的畢竟有限。

　　常規(guī)性認(rèn)識(shí)

　　在延長(zhǎng)電池使用壽命方面，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的常識(shí)是“一顆芯片肯定比兩顆芯片好”。他們的想法簡(jiǎn)單而直接，認(rèn)為芯片間的通信肯定比片上通信的功耗大，兩顆芯片的晶體管數(shù)量明顯大于集成了對(duì)等功能的單顆芯片。不過(guò)，常識(shí)未必總是正確的。

　　隨著DSP開(kāi)始集成如加速器、專用通信模塊與網(wǎng)絡(luò)外設(shè)等片上功能，其功能對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)也正變得越發(fā)強(qiáng)大和實(shí)用。但是，如果芯片僅僅為了執(zhí)行簡(jiǎn)單的常規(guī)處理或監(jiān)管程序就保持開(kāi)啟的話，就會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)謂的功耗。

　　決定電池使用壽命的是系統(tǒng)的平均流耗，而非既定時(shí)間的瞬時(shí)流耗。件處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，典型的高端處理器支持時(shí)鐘縮放及其他降低功耗的特性，但如果處于非工作狀態(tài)，器件就很難擁有出色的節(jié)電性能了。眾多高性能處理器在停止模式下的耗電量達(dá)到 50～100μA以上。盡管乍看起來(lái)這種電流消耗還是可以接受的，但要知道，這是處理器停機(jī)時(shí)的持續(xù)耗電，而且不通過(guò)外部重啟的話就不能執(zhí)行任何任務(wù)。

　　對(duì)這種處理器及其他較高端處理器來(lái)說(shuō)，保持低功耗狀態(tài)，同時(shí)又能激勵(lì)或執(zhí)行系統(tǒng)或進(jìn)行監(jiān)管任務(wù)，這時(shí)功耗為數(shù)十毫安。這就是說(shuō)，如果系統(tǒng)依賴高端處理器來(lái)執(zhí)行監(jiān)管任務(wù)，電池的使用壽命不過(guò)幾天而已。

　　但是，如果通過(guò)其他器件來(lái)實(shí)施系統(tǒng)和監(jiān)管功能，而這種器件又可管理主處理器的電源，那么系統(tǒng)的平均電流消耗就可顯著降低。

　　就某些應(yīng)用而言，用MCU取代DSP執(zhí)行系統(tǒng)監(jiān)管任務(wù)是一種非常明智的設(shè)計(jì)決策。應(yīng)用本身是重要的因素，因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)計(jì)方案還要考慮到空間與成本的局限性。

　　舉例來(lái)說(shuō)，供電監(jiān)控、復(fù)位監(jiān)管以及電源排序等都是系統(tǒng)需要的基本的監(jiān)管功能。當(dāng)前眾多 SoC 都具備多條電源軌，上電時(shí)必須進(jìn)行適當(dāng)排序才能正常運(yùn)行。以小型的低功耗微控制器取代固定功能器件可增加管理主處理器電源的功能，同時(shí)還能實(shí)施排序、監(jiān)控以及監(jiān)管等功能。

　　SoC定義的基本內(nèi)容主要表現(xiàn)在兩方面：其一是它的構(gòu)成，其二是它形成過(guò)程。系統(tǒng)級(jí)芯片的構(gòu)成可以是系統(tǒng)級(jí)芯片控制邏輯模塊、微處理器/微控制器CPU 內(nèi)核模塊、數(shù)字信號(hào)處理器DSP模塊、嵌入的存儲(chǔ)器模塊、和外部進(jìn)行通訊的接口模塊、含有ADC /DAC 的模擬前端模塊、電源提供和功耗管理模塊，對(duì)于一個(gè)無(wú)線SoC還有射頻前端模塊、用戶定義邏輯（它可以由FPGA 或ASIC實(shí)現(xiàn)）以及微電子機(jī)械模塊，更重要的是一個(gè)SoC 芯片內(nèi)嵌有基本軟件（RDOS或COS以及其他應(yīng)用軟件）模塊或可載入的用戶軟件等。

　　隨著信息安全問(wèn)題的日益突出，安全管理理論與技術(shù)的不斷發(fā)展，需要從安全的角度去管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的NOC在這方面缺少技術(shù)支撐，于是，出現(xiàn)了SOC的概念。不過(guò)，至今國(guó)外都沒(méi)有形成統(tǒng)一的SOC的定義。維基百科也只有基本的介紹：SOC（SecurityOperationsCenter）是組織中的一個(gè)集中單元，在整個(gè)組織和技術(shù)的高度處理各類安全問(wèn)題。SOC具有一個(gè)集中化的辦公地點(diǎn)，有固定的運(yùn)維管理人員。

　　低引腳數(shù)的低功耗微控制器正好能實(shí)現(xiàn)這種功能。舉例來(lái)說(shuō)，德州儀器（TI）推出的MSP430F20x1與MSP430F20x2兩款器件均屬14引腳的微控制器，并分別帶有一個(gè)比較器和10位ADC。它們的待機(jī)流耗不足1μA，而且運(yùn)行時(shí)的電流也不過(guò)幾百微安。

　　圖1 小型微控制器管理主處理器的電源排序，并實(shí)施電源管理

　　圖1 顯示了一個(gè)小型微控制器控制主處理器的電源排序、實(shí)施電源管理的實(shí)例。微控制器上的軟件例程可根據(jù)正確順序啟動(dòng)主處理器調(diào)節(jié)器，不需要主處理器時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)器的關(guān)斷特性來(lái)關(guān)閉主處理器，從而節(jié)約主處理器70μA到幾毫安的電耗。

　　更好地了解DSP與MCU各自對(duì)優(yōu)化電源的作用是制定何時(shí)將二者在設(shè)計(jì)方案中結(jié)合使用的關(guān)鍵因素。設(shè)計(jì)人員通過(guò)將兩個(gè)超低功耗處理器用于完成主處理器周期與監(jiān)控功能，同時(shí)又能獲得獨(dú)特的性能、集成與成本優(yōu)勢(shì)，這樣就能使雙低功耗處理器系統(tǒng)的電池使用壽命超過(guò)單個(gè)處理器系統(tǒng)。

　　DSP的電源

　　DSP芯片設(shè)計(jì)人員采用了眾多低功耗技術(shù)方案，如降低工作電壓、將芯片分為多個(gè)時(shí)鐘域等大多數(shù)方案都是在后臺(tái)執(zhí)行的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不必過(guò)多控制這些特性就能獲得相關(guān)優(yōu)勢(shì)。

　　DSP家族要求有獨(dú)立的內(nèi)核電源和I/0電源。雖然TI的DSP不要求內(nèi)核電源和I/O電源之間有特殊的上電順序，但是假如有一個(gè)電源低于正常的工作電壓，設(shè)計(jì)時(shí)要確保沒(méi)有任何一個(gè)電源在任何時(shí)間段處于上電狀態(tài)。如果違反此規(guī)則，將嚴(yán)重影響器件的長(zhǎng)期可靠性。另外從系統(tǒng)級(jí)考慮。在這種情況下，內(nèi)核電源的上電應(yīng)當(dāng)同步或提前于I/O緩沖器。

　　采用TI同步降壓轉(zhuǎn)換控制器的電源解決方案具有極好的瞬間響應(yīng)和轉(zhuǎn)換效率性能，其應(yīng)用專門(mén)面向微處理器，如TI的C6000和C54xx產(chǎn)品線。此外，之所以采用滯后控制方法是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和補(bǔ)償問(wèn)題。

　　不過(guò)，在DSP選擇過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要對(duì)應(yīng)用的執(zhí)行方式發(fā)揮充分的作用。在選擇DSP時(shí)，應(yīng)考慮以下四個(gè)重要特性。

　　采用大容量片上存儲(chǔ)器：在應(yīng)用一般功耗基礎(chǔ)上，每次執(zhí)行片外存儲(chǔ)器調(diào)用時(shí)都要消耗額外的電源。如果使用外部RAM，就必須為其持續(xù)供電，這是一個(gè)連續(xù)的耗電過(guò)程。

　　選擇能高度控制外設(shè)的 DSP，因?yàn)檫@直接有利于進(jìn)一步降低功耗：數(shù)種DSP能在外設(shè)處于非工作狀態(tài)時(shí)自動(dòng)將片上外設(shè)關(guān)斷，或允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員手動(dòng)管理外設(shè)狀態(tài)。不過(guò)這種特性在粒度性上有一定局限。

　　選擇可提供多種待機(jī)狀態(tài)的DSP：選項(xiàng)越多，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看節(jié)電性能就越好。

　　選擇可提供開(kāi)發(fā)軟件的 DSP，以專用于優(yōu)化電源并化功耗：所選工具應(yīng)能輕松縮放芯片的電壓與頻率，從而評(píng)估各種可選的設(shè)計(jì)方案。

　　MCU的電源

　　優(yōu)化MCU以實(shí)現(xiàn)低功耗工作的起點(diǎn)是采用超低功耗工藝來(lái)制造MCU，從而可將晶體管的漏電流銳減至極低的水平。高性能工藝技術(shù)會(huì)造成DSP的功耗加大，專為降低功耗而優(yōu)化的半導(dǎo)體工藝則可能限制MCU的峰值處理性能。

　　時(shí)鐘速度是顯而易見(jiàn)的局限性。如圖2所示，能夠利用其獨(dú)特的超低功耗振蕩器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)低至500nA的待機(jī)模式電流、速度為 16MHz 的優(yōu)異特性。VLO技術(shù)使MSP430F20xx能在超低功耗待機(jī)模式下完全自動(dòng)控制時(shí)鐘速度，從而使煙霧檢測(cè)器或家庭溫控裝置等系統(tǒng)能夠在不更換電池的情況就能持續(xù)工作 10 年之久。

　　圖2 MSP430F20xx MCU結(jié)構(gòu)圖

　　在其實(shí)現(xiàn)500nA待機(jī)功耗時(shí)，還能確保支持所有器件的故障保護(hù)安全特性，例如，既能實(shí)現(xiàn)超低功耗又能實(shí)現(xiàn)可靠性極高的系統(tǒng)的零功耗掉電復(fù)位功能。VLO 無(wú)須使用外部組件就能減少系統(tǒng)組件數(shù)，降低成本，縮小板級(jí)空間，而這些都是便攜式應(yīng)用的關(guān)鍵需求。