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为你的嵌入式设计选择合适的低功耗处理器 时间:2020-05-27      来源:原创

在早期,获得低功耗的CPU通常意味着牺牲功能,以降低的时钟速度运行或等待新的低功耗处理技术以降低待机 和有功功耗。无论如何,情况已不再如此,并且处理器领域已经发生了戏剧性的变化。

随着处理技术的进步以及创新的芯片设计和高粒度电源管理软件,带来了全新的低功耗处理器系列,使设计人员无需在系统设计中做出牺牲。

当然,没有任何一种设备“拥有全部”,因此工程师必须仔细考虑其系统要求,然后研究目前不断扩大的低功耗处理器范围,以找出最适合其应用要求的处理器。

本文使用产品选择矩阵总结了最新技术(下表1)。一个轴显示了以下设计准则,这些准则是系统设计人员最关心的:

*功率

*性能

*集成

*上市时间

*价格

另一个轴根据功能集列出了主要的处理器变体。然后,本文解释了通用标准背后的含义以及各种类型的处理器如何在表中获得排名。

该信息实现了两个目标:首先,它向嵌入式开发工程师提醒市场上最新的处理器类型,其中一些是相对较新的,他们可能不熟悉这些处理器;其次,鉴于产品范围越来越大,它可以帮助他们缩小选择范围给定设计的最佳芯片。

检查标准

为了帮助您对各种低功耗设备进行分类,请参考表1,该表根据嵌入式开发工程师感兴趣的几种标准对主要类型的低功耗处理器进行了评级。首先要注意的是,这些标准都是紧密相关的。

例如,在芯片上集成大量功能,例如多核,模拟功能,大容量存储器或许多外设扫描,可降低整体系统功耗,成本和上市时间。但是,这种性质的广泛集成会增加不必要的功耗,并使编程更加复杂,从而延长了产品上市时间。

标准1:力量

对于当今的许多设计,这是唯一最重要的标准。在便携式产品中,延长电池寿命是最大的好处。在许多基础设施应用中,较低的功率会转化为较少的热量”,而散热“包络”可能是通道密度或添加功能的限制因素。

还有一些设计有功耗预算的设计,例如USB供电产品或用汽车电池运行的汽车售后市场产品,它们仅分配了一定的毫瓦预算用于运行。

从系统角度应该更正确地查看电源。芯片上外围设备的正确混合不仅可以节省片外设备的功耗,还可以节省更多的整体系统功耗,还因为跨PCB板走线移动数据所需要的功率要比在设备自身内部移动数据要多得多。 。

对于单个设备,能源效率始于工艺技术的固有优势,但这仅仅是先进处理器在这方面提供的起点。功耗可以分为两种主要模式:首先,有功功率消耗是通过晶体管开关执行的,并在正在进行的数据处理过程中发生。第二,静态功耗,发生在有限的数据处理或没有数据处理且各种组件进入某种睡眠模式时发生。

有源电源管理中使用了几种技术:

 动态电压和频率缩放(DVFS)。 在此,根据应用场景所需的性能,可以通过软件命令降低时钟速率和电压。

例如,即使多媒体处理器上的ARM可能能够以600 MHz的频率运行,但并非在每种情况下都需要所有功率,而是可以从预定义的以特定速率运行处理器的运行性能点中进行选择。

自适应电压缩放(AVS)。 这是基于以下事实:硅制造会产生具有性能分布的零件。对于给定的频率要求,某些设备(称为“热”设备)可以以比“冷”设备更低的电压来达到该性能水平。

在这种情况下,处理器会感测到自己的性能水平,并相应地调整电压供应,以补偿工艺,温度和硅劣化的变化。

动态电源开关(DPS)。 这确定了设备的某个部分何时完成了其当前任务,目前不需要,并将其置于低功耗状态。这种粒度功率控制的一个示例是当处理器在等待DMA传输完成时进入低功耗状态时。

当进行有限的数据处理或不进行任何数据处理时,都会进行静态电源管理,所选组件可能会进入非常低的功耗模式,并且系统在其中等待唤醒事件。

通过一种称为静态泄漏管理的技术,它可以导致几种低功耗模式,从待机到完全关闭电源。根据需要的存储器保留程度和/或快速唤醒时间选择低功耗静态模式。

得益于这些特性,大多数低功耗处理器的待机功耗都在15 mW范围内,峰值工作功率低于400 mW,但是即使某些定点数字信号处理器将待机功耗降低到0。50 mW,峰值也降低到75 mW。 FFT协处理器,多达320 KB的内存和I / O外设。

在表中,大多数设备实现了许多(如果不是全部)这些省电功能,并获得了“优秀”评级。被列为“好”的是性能最高的芯片,通常具有多个内核,自然会消耗更多功率。

标准2:性能

该标准很重要,因为附加的处理能力通常通过启用新功能以及单位成本或面积的更多通道,更快的数据速率以及更密集,更高质量的压缩方案来区分最终用户产品。

在查看性能时,工程师应该关注的不仅仅是MHz,还应考虑并行性。集成了DSP,ARM或协处理器各种组合的芯片极大地提高了性能,例如OMAP平台。工程师可以对他们的代码进行分区以在最合适的内核上运行。

并行是一项好处,即使在只有onecore的设备上,您也可以获得。例如,一个CPU低功耗定点DSP具有八个以300 MHz并行运行的指令单元,因此具有极高的处理能力。对于相同的低功耗预算,该设备提供的处理能力是市场上其他低功耗处理器的2倍。

除了集成处理元素之外,集成其他系统组件还可以显着提高性能。例如,具有足够的片上存储器意味着CPU可以比必须更频繁地导入和导出数据的速度快得多。

无论正在开发哪种系统,无论是多媒体设备还是功能受限但需要最低功耗的系统,设计人员都可以选择具有所需处理能力的处理器。

在表中,从“一般”到“优秀”的性能范围通常取决于给定设备具有多少个内核和芯片上外围设备。与往常一样,性能折衷方案通常是功耗。

标准3:集成

显然,这方面与性能密切相关。如前所述,某些芯片为设计人员提供了以下选择之一或全部选择:DSP,ARM9或协处理器。

但是,关于集成,其他必要的系统组件也可以安装在当今的设备上。集成内存就是一个很好的例子,它可以降低总体系统价格,节省系统功耗并简化开发。一些低功耗处理器直接在芯片上集成了将近一半的内存,例如在OMAP-L1x应用处理器中,并且在许多情况下,这不需要任何外部存储器。

但是,当今的处理器可以集成更广泛的外围设备,包括模拟组件。一个典型的例子是SAR(逐次逼近寄存器)A / D转换器。例如,SAR可用于连接用户设备中常见的触摸屏显示器。

另一个例子是uPP(通用并行端口),它允许直接连接到系统上的各种其他部件,例如高速ADC或FPGA。在当今的低功耗处理器上,您还可以通过以太网MAC,USB 2。0,用于大容量存储的串行ATA(SATA),用于I / O功能的SDIO(如WLAN支持),LCD控制器和视频端口接口,获得对片上网络的支持。

在表中,“优秀”等级是指具有多个内核或协处理器以及各种外围设备的设备;“良好”等级适用于具有单个内核但内存和外围设备数量很多的设备;外围设备较少但功率小巧且价格便宜的设备将获得“合理”的评级。

标准4:上市时间

随着消费产品创新速度的不断提高以及产品生命周期从数年缩短至数月,这一方面的重要性日益提高。当竞争对手在几个月(或几周)后推出具有吸引消费者注意力的重要新功能后,您的最新,最优质的产品将很快出现在商店货架上。

上市时间与集成水平密切相关。显然,如果组件在芯片上,则工程师需要较少的开发和调试时间,因为无需开发协调多个芯片活动所需的接口和数据交换工具。专门用于印刷电路板互连和使用单独的驱动器的工作量也较小。

但是,当许多内核或外围设备集成在一个芯片上时,嵌入式开发工程师需要适当的软件工具来帮助他们操纵组件。例如,结合使用ARM和DSP,一个好的工具集将允许开发需要两个内核资源但在单个编程环境中的应用程序。

此外,工程师还应查看处理器供应商提供的其他工具,这些工具包括针对各种内核进行了优化的第三方算法库,对第三方工具(如Matlab的Simulink或National Instruments的LabVIEW)的支持,评估/开发板,甚至还有各种各样的工具。操作系统,甚至是开源选项。所有这些因素对于减少开发时间和在最后期限之前或之前将产品推向市场都很重要。

最后一个不可忘记的方面是 浮点DSP器件的编程较为简单。在许多情况下,开发人员可以使用熟悉的工具(例如Simulink和LabVIEW)在台式机上编写代码,然后只需很少的修改即可将代码移植到DSP。

通常,可以肯定地说,给定芯片的性能越高,开发时间就越​​长。对于需要这种性能水平的更复杂的产品,显然需要更长的时间来开发和调试代码。

最后,工程师应该始终在思考下一代产品。在某些市场中,标准是不稳定的,但是公司希望尽早进入市场。因此,设计人员必须构建“面向未来”的产品,可以对其进行升级以反映标准的变化或添加新功能。

因此,查看一系列处理器并检查其在软件和引脚对引脚兼容性方面的兼容性非常重要。“如果我需要更多的计算能力,以后是否可以对整个系统设计和代码进行很小的改动就可以添加它?

在表中,“优秀”的评级适用于在硬件和软件方面均得到广泛支持的设备。具有较低集成度的设备将获得“良好”评级,这意味着更多的片外外围设备或存储器以及相关的设计工作。

标准5:价格

评估此标准时,工程师应该关注的不仅仅是芯片价格,芯片价格本身也在下降,因此现在大多数低功耗处理器的价格通常低于15美元,并且取决于设备功能,价格甚至可以降至4。00美元的水平。

尽管每个组件的成本在消费者应用程序中至关重要,但是在基础结构或商业应用程序中,它们的作用却不那么重要,在这些应用程序中,拥有成本和效率往往会引起更多关注。

工程师应该考虑系统总成本。例如,返回到内存,如果您可以从片上内存运行产品的所有算法,则仅为不再需要的那些内存外芯片节省了一两个美元。

通过集成组合(例如SATA,以太网,内存,USB 2.0,在OMAP-L1X应用处理器中看到的ARM9以及“集成”部分中提到的其他高度集成的外围设备),可以节省大量的系统费用(最多9.00美元)。

除了芯片价格之外,工程师还应该评估开发的难易程度,这包括软件和硬件开发工具,技术支持,培训,第三方支持,文档,工程时间/开销和NRE开发费用。最重要的是,更快的开发可以导致更高品质的最终产品,因为宝贵的时间和金钱都花在了差异化上,而不是用于构建设计基础架构。

因此,工程师还不仅应考虑开发板和仿真器的价格,而且还应考虑其质量以及它们可以加快开发项目的速度。高质量的IDE和编译器使设计师能够更深入地了解其设计并缩短产品上市时间。

寻找可提供免版税操作系统,可从第三方购买的经过验证的代码的芯片供应商,例如基于DSP的设计中使用的编解码器以及可让设计人员快速着手设计的框架。

另外,不要忘记布置和制造木板的成本。设备的数量不仅很重要,而且设备的间距也很重要。“小间距设备在系统级进行布局和制造会更昂贵。

在表中,价格通常与内核和片上外围设备的数量成反比。这样的组件越多,显然,设备和设计工作就越昂贵,因为它们针对的是最复杂的便携式系统。例如,唯一获得“公平”评级的类别是可以具有DSP,ARM和协处理器的高性能应用处理器。

低功耗应用程序

即使借助此表,为给定应用程序选择最佳设备也不容易。总是会有设计上的折衷,但是对应用程序要求的简短讨论可能会提供一些指导。要求低功耗的应用已得到极大扩展,它有助于对主要领域进行分类:

插入式或USB供电的产品,例如免提车载套件,GPS加密狗,触摸屏或免提电话

消费者希望电池至少能使用一整天的应用,例如无线麦克风,乐器,降噪耳机,无线打印机,甚至是多参数便携式医疗仪器

应使用最长两周电池的应用,例如音乐记录器,电子书,门锁指纹授权或单参数便携式医疗器械

对应用程序进行分类的另一种方法是根据功能将它们分为几类。一个关注点是便携式设备的高精度,例如需要高动态范围的乐器或音频产品。这种精度和动态范围水平通常需要浮点处理器,功耗从15 mW起。

现在考虑依赖功能丰富的GUI的应用程序。在这里,提供基于ARM的处理的设备是一个不错的选择。由于在OMAP-L1x应用处理器等设备上实现了ARM + DSP集成,因此具有足够的能力来运行GUI以及处理复杂的处理任务。

然后,有些产品要求消费者在便携式设备中具有较长的电池寿命,其中包括便携式音频记录器/播放器,电子书,便携式麦克风,甚至是戴在手腕上的家用医疗监护仪。专注于低待机模式的处理器可以通过充分利用深度睡眠(6.8微瓦)和待机状态(0.5 mW)来延长电池寿命。

总结

正如本文中经常提到的那样,低功耗处理器的所有选择参数都是紧密相关的。一直以来,最高性能意味着最高功耗”,今天的功率水平已经下降到几乎可以满足所有需求的低功耗处理器。

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