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自适应电压定比技术节省处理器功耗
 

【作者: Mark Hartman】2008年10月09日 星期四

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调整可携式电子装置处理器的电压和频率的作法已变得相当普遍。由于可携式装置的功能愈来愈多,因此要求处理器具有更高资料处理效率。透过闭回路(closed loop)方法,自适性电压定比(Adaptive Voltage Scaling , AVS)可以在一个既定处理器频率下提供最​​低的操作电压。在调整处理器性能方面,AVS回路能够自动调整电源的输出电压,以便为处理器的温度变化作出补偿。此外,AVS回路还可以降低电源的容限。与开放回路式的电压调整技术如动态电压调整(Dynamic Voltage Scaling , DVS)等相较之下,AVS可多节省45%的用电。



《图一 比较固定电压、DVS和AVS在节省处理器用电上的能力》
《图一 比较固定电压、DVS和AVS在节省处理器用电上的能力》

系统级自动电压调整

AVS是一个系统级的方案,它的元件同时分布在处理器和电源两个部份。当中,安置在处理器上的先进功率控制器(Advanced Power Controller , APC)负责提供AVS回路控制,而安置在电源一方的从属功率控制器(Slave Power Controller , SPC)则负责处理从APC来的指令。在APC和SPC中提供的IP会自动地处理牵涉在频率和电压调整的讯号交换,进而简化了设备的系统整合度。


AVS采用一种创新的闭回路方法来调整电压,当中AVS回路围绕着处理器的性能被封闭,消除了所有多余的电压裕余(Voltage Margin)。这与以表列为基础(table based)的DVS系统刚好相反,因为DVS必须包括额外的电压裕余。此外,AVS回路由于可以真正感测到负载中的电压,因此可以为稳压器的回馈提供一个优秀的凯氏检测(Kelvin sensing)连接,从而消除了因电源和处理器间的接地差而导致的电压误差。正如前面所述,AVS回路能够自动缩窄电源的容限,使裕余电压进一步减少。所有这些出现在供电电压上的节约都可将处理器的用电量大幅减少,原因是动态能源的消耗是与电压的平方成比例。


AVS系统回路架构

图二所示为系统中的主要区块,当中由美国国家半导体授权使用的先进功率控制器(APC)为系统提供AVS回路控制和所有电压/频率调整的讯号交换处理。图中的PowerWise介面(PWI)是一个开放的标准介面,这个两线的串列介面能为AVS提供所需的频宽和协定。最后,能量管理单元(Energy Management Unit , EMU)则负责电压调整和稳压。



《图二 可适性电压定比(AVS)回路和它的组件》
《图二 可适性电压定比(AVS)回路和它的组件》

可适性功率控制器能够处理各方面的电压控制,而且可以有效地降低主控制器的功耗。它是以可合成的RTL实现并具备有以下的功能组件:


  • ●硬体性能监视器(Hardware Performance Monitor , HPM)


  • ●数位回路滤波器和


  • ●PowerWise介面(PWI)主模组



这些元件一起发挥作用时,能够为外部的电源执行简单和准确的电压控制。


应用在AVS的硬体性能监视器(HPM)和数位回路滤波器的工作是根据既定的性能要求对数位电路的性能进行测量,而从HPM量度出来的资料会先交由数位回路滤波器处理,之后再送到PWI主模组并向电源发出一个电压请求。


在闭回路AVS系统中,同时存在着连续时间(电源)和离散时间(HPM和离散补偿)的成份,因此可以采用取样资料原理来替系统进行分析。 HPM输出一个数位讯号字,而输入则同时包括要求性能(运算时脉)和类比电压。这个数位讯号字是矽片性能的一个相对性测量。取样资料控制回路会尝试根据参考输入来调整这个量度出来的输出,而这个参考亦是一个数位讯号字(digital word)。回路的稳定性将会取决于离散时间的补偿,而这方面可以有几个方法来实现。


设计实现之方法

透过将SoC的设计分割成若干独立的电压域,便能够进一步加强节能的效果。例如,处理器的核心和硬体加速器可以在不同的调整电压域下工作。 APC 2.0可促使控制多个AVS域,而这种功能在现今尖端的SoC设计中是很普遍。透过PWI 2.0介面,APC 2.0最多可以容纳16个从属AVS域。


PWI是一个开放式的标准介面,它可容许串列资料通过​​SCLK和SDAT接脚进行传输。高至15MHz的资料传输率可满足闭回​​路AVS在频宽上的要求,而这个频宽是必须的,而且介面亦必须能确保可以提供,以免回路在工作时不会出现太多的落后。


AVS回路的最后一个组成部份是能量管理单元(EMU)。 EMU能够为处理器核心提供稳定的电压调整和稳压作用,以及比如是支援PLL和逻辑电源等的电压。为了在AVS回路内工作,EMU必须包含有从属功率控制器(SPC),以便解译PWI的指令。 EMU的规格可以影响AVS回路的性能,并且一如PWI必须能提供足够的频宽一样,EMU亦必须符合频宽上的要求。


AVS不单可大大节约能源,而且还可简化系统的整合度。对于处理器来说,AVS回路能够自动地操作,除了少数的一次性配置设定外,期间无需任何的软体协助。此外, APC具备有一个电压监视器,它的工作是监视电压直至它到达既定工作频率所需的适当电平,从而简化了出现在电压和频率调整间的讯号交换过程。


协调工作频率与电压

对频率和电压调整进行检讨可有助理解AVS的优点。基本的概念是将频率按处理器的工作量要求而调整,然后再将电压调整到可以在该电流频率下工作的最低要求。这种做法的好处是使到既定处理(以处理器的周期次数作量度单位)所需的动态(开关)能量能与供电电压的平方成比例。例如,无论工作频率是多少,在1.2V下的100个时钟周期所需要的能量会大于在0.9V下的100个周期。对于任何的频率/电压调系统来说,都会有两种转变出现,分别是上升和下降频率/电压的调整事件。


一个上升频率/电压调整事件是由工作量监视器发出的更高工作频率要求而触发。为了支援这个较高的工作频率,系统必须首先透过某种方法(AVS和DVS是两个例子)来提升供电电压,一旦电压到达要求的水平后,即较高电压时,系统便会占用较高的时钟频率来工作。


同样地,一个下降频率/电压调整事件是由一个较低工作频率要求而触发。可是,在这个情形下,供电电压的大小已经足以支援较低频率的工作,因此工作时钟可以即时下降。现在,系统降低了供电电压以配合新的和较低的工作频率。下降与上升频率/电压调整事件的最主要分别是出现在供电电压暂态中的任何欠压 (undershoot)都必须计算在内,亦作为系统的额外裕余(extra margin)(图三)。因此,最好还是把欠压消除。



《图三 欠压增加了电压的裕余》
《图三 欠压增加了电压的裕余》

设定配置AVS回路系统

AVS系统之所以能达到准确和可控制的电压调整,全赖将一个可配置的回馈回路与电源一起使用。透过改变参考电压,便可改变某特定工作频率下的电压裕余。假如改变回路的增益,就可改变电压调整事件的回转率。 AVS回路甚至可以区分上升和下降电压调整事件,因此不同的增益以至不同的回转率会被使用,这样在下降转变时便可将欠压减到最小,而在上升转变时则可把上升的时间减到最小。正如以上所述,减少欠压量便可直接降低供电电压和用电量。对于这种以及其他的灵活性,APC都可提供。


AVS回路是一个真正的闭回路系统,它们只有几个参数需要配置。正如所有的回馈系统一样,回路必须获得补偿才能提供稳定的回应。 APC具备可以设定回路增益的暂存器,而增益的大小必须适中,它必须够大才能提供足够的上升和下降时间,但同时却要够低以确保过阻尼响应(overdamped response)(没有过压或欠压)。此方面的设定其实可透过一些练习来完成,因为其只会影响到回路的增益,而且可以在实验室进行又或透过ACP IP档提供的数式来计算。


除了回路的增益需要设定外,参考亦必须被设定。 AVS回路的参考是一个数位讯号字,它对应于与由HPM量度出来的处理器性能要求。实质上,它就像是调整设置时间规格中的延迟裕余(delay margin)。由于回路是直接对处理器的性能作出调整,因此任何所需的裕余量都可透过编程来获得,这便可为不同的设计要求提供高度灵活性。透过设定AVS回路的增益和参考,回路便可自动处理电压的调整。


APC的另一重要功能是电压监视器。电压监视器可为每一个电压调整事件提供一个 「功率优良」 的标签讯号,从而大大简化了电压和频率的调整过程。当系统要调高电压和频率时,这项功能便显得尤其重要。然而,新的较高频率不会被采用直至电压上升到可以以支援较短的延迟时间。一旦电压上升到新的水平,电压监视器便可即时允许处理器转换到新的较高时钟频率。这样不但可使系​​统运行得更快,而且无需设定电源的上升和下降时间(它们会随元件的容限而变化)。


由于已经知道电压转变所需的正确时间,因此电压监视器可促使系统以较快的速度来调整电压,而同样地亦可使系统的频率调整速度较快,而由于花在调整到较高电压上的时间较少,因此可提升系统的效能。


结语

AVS系统可以为一个给定的处理器提供最佳的电压调整方案。配合闭回路调整的优点,系统可在既定的工作条件下选择最低的电压来工作。回路的增益可以同时配合上升和下降电压调整事件来配置,从而进一步减少欠压所需的裕余。此外,APC内的电压监视器可为系统提供一个电压已到达新水平的提示,大大降低了系统的集成复杂度。整体来说,AVS系统可为电压调整和频率调整之间提供一个自动的讯号交接。透过闭回路控制和可配置的增益,系统便能达到最佳的节能效果。


(作者Mark Hartman任职于NS美国国家半导体)


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