無線與有線系統設計人員都應關心電源效率，只不過箇中原由並不相同。對行動裝置而言，更長的電池壽命以及更長的通話或使用時間顯然都是優勢，但降低電力需求還能讓產品使用較小的電池或不同的電池技術，散熱問題也變得更簡單。

對有線系統來說，設計人員可以縮小電源供應體積、降低散熱要求和減少風扇噪音。另一較少為人提及的優點則是在提高電源效率後，系統就能留下更多空間給其它增強效能的零件，這在設計人員使用多顆處理器時特別有用。

無論已含DSP的嵌入式系統，或想在系統功率預算允許下增加DSP的嵌入式系統，都能利用DSP獨有的技術、相關作業系統與支援軟體節省電力。因為如此，DSP或雙處理器設計可以提供傳統技術無法做到的更強大省電功能。

本文將同時介紹傳統技術和DSP特有的技術，但首先要定義文中用到的名詞和原理。

功耗基本知識

CMOS電路的總功耗等於動態（active）與靜態（static）功耗之和。

《公式一》

邏輯閘切換邏輯狀態就會產生動態功耗，它主要來自開關電流（內部元件充電所需）和穿越電流（P和N通道電晶體同時導通所造成）。動態功耗可估計如下：

《公式二》

另一個關係式則指出，電路穩定操作的最大開關頻率（F）是由電壓（Vcc）決定。這些關係式隱含兩個重要概念：

本文為討論方便，將把一對特定的頻率和電壓稱為「設定點」（setpoint）。

降低處理器時脈頻率，它的動態功耗也會等比例減少，但若在不影響效能的情形下降低電壓，則從前述的平方關係可知它會節省更多電力。但對特定作業而言，降低處理器時脈頻率同樣會等比例延長其執行時間，因此設計人員必須謹慎分析，確保它在時脈頻率降低後仍可達到即時要求。

靜態功耗是電晶體漏電造成，而CMOS電路的靜態功耗過去都遠小於動態功耗。嵌入式應用為避免動態功耗，通常會在閒置時關閉處理器時脈，這能大幅減少總功耗。未來的設計則必須更注意靜態功耗，因為新型電晶體雖然效能更強，漏電流卻也會大幅增加。

嵌入式系統通用技術

常見的功耗管理技術分為兩類，一種屬於硬體設計初期所做的選擇，另一種則是系統運行期間執行的技術。

設計初期所做的決定對達成效能和功耗目標當然很重要。下文就是包括硬體選擇、設計方法和架構選項在內的10大重要決定，其中大多數是嵌入式設計的基本知識，其它則比較複雜。雖然這些都是設計初期要做的決定，仍有些內容須在設計過程重新確認。這10項決定包括：

系統架構確定後，設計團隊應把注意力轉到系統執行期間環境。雖然這部份只有14個重點，其中多數卻必須在設計過程隨時注意：

這些項目適用於所有的嵌入式系統，包括內建DSP的產品，而且多數有經驗的設計人員至少在觀念上應很熟悉它們。

這些動作與方法看似簡單，實現卻不容易。任何降低設計功耗的做法都可能影響系統效能和穩定性。而使用基本電源管理技術時也可能遇到一些困難。

DSP即時作業系統有那些幫助

多數有經驗的嵌入式設計人員都知道許多技術皆能由作業系統提供，不需他們針對每個新設計重新再做一遍。

即時作業系統（RTOS）甚至可包含一些最有價值和眾所認可的技術，例如讓電路進入閒置狀態（idling）、避免動態功耗、裝置驅動程式通知、記憶體管理以及電壓/頻率調整。然而這些技術的設計目標差異太大，要把它們全部加入即時作業系統並不容易，必須由開發人員做出適當取捨。就應用耗電最佳化而言，主要設計目標應該是效率、彈性以及與作業系統的鬆散結合（loose coupling）。

要瞭解現有即時作業系統的電源管理模組有那些特性、限制和功能，一個好例子就是TI為DSP/BIOS作業系統提供的電源管理程式（Power Manager；PWRM）。雖然以下介紹的設計主要是針對DSP/BIOS，其觀念卻很容易運用到其它作業系統或不含作業系統的應用環境。

電源管理程式要求

設計電源管理程式時，最主要的七個要求為：

為達到前述的要求，如(圖一)所示把Power Manager當成附屬模組加入DSP/BIOS。

《圖一　Power Manager的功能分割》

Power Manager位於DSP/BIOS核心之外。它不是作業系統執行的一個工作，而是在應用控制緒（control thread）和裝置驅動程式環境裡執行的一組應用程式界面（API）。

這表示核心不需要任何修改。但是在處理器時脈與作業系統計時器時脈耦合在一起的其它平台上，設計人員就必須為DSP/BIOS時脈模組（CLK）提供輔助常式。這對頻率調整很重要，因為這些常式可將作業系統時脈當成Power Manager的用戶程式進行調整。

Power Manager界面透過特定平台專用的電源調整程式庫（Power Scaling Library）直接控制DSP硬體，並且讀寫時脈閒置組態暫存器（clock idle configuration register），該程式庫可以控制處理器時脈速率和穩壓電路。透過電源調整程式庫，Power Manager和其它應用軟體就不需要知道頻率及電壓控制硬體的實作細節。

Power Manager是由設計工程師靜態配置其組態，並由應用軟體在執行期間動態呼叫。它有幾項功能與應用有關：

將時脈域設為閒置狀態

Power Manager提供界面將特定時脈域設為閒置狀態，以便減少動態功耗。它還提供一套機制，可在作業系統閒置迴圈（idle loop）的適當位置讓DSP內部的處理器和快取記憶體自動進入閒置狀態。

開機省電功能

Power Manager包含一套程式連結機制，讓開發人員指定一個在開機時自動呼叫的省電函式。

電壓與頻率調整

Power Manager提供界面讓應用動態調整DSP核心的操作電壓和頻率，應用軟體可以根據實際處理需求，利用這項功能調整功耗。Power Manager應用程式界面讓應用指定是否同時調整電壓和頻率，以及調降電壓過程中是否繼續執行程式（調整所需時間與負載有關，而且可能很長；若處理器在調降電壓過程中仍很穩定，就可以讓應用繼續執行）。Power Manager還有應用程式界面可以查詢電壓/頻率設定點以及調整所需時間。

休眠模式

Power Manager提供與休眠有關的組態與執行期間界面，開發人員可利用它們啟動客製休眠模式，減少無動作期間（inactivity）的功耗。

電源事件的註冊與通知

為了協調應用執行期間的電壓/頻率調整動作、休眠模式和其它事件，Power Manager提供一套註冊和通知機制，讓應用程式碼、週邊驅動程式、封裝內容（packaged content）以及作業系統時脈模組等軟體元件，把會影響它們的事件向Power Manager註冊，以便在發生這些事件時通知它們。這些電源事件包括：即將調整電壓/頻率設定點、電壓/頻率設定點調整完成、進入休眠模式、離開休眠模式和電源故障。通知程序是Power Manager的一項重要功能。當軟體元件不需要通知時，也可向Power Manager取消註冊。

實際設計

電源效率分析的準備工作至此算大功告成，接著就是擬定一套方法，利用作業系統提供的技術和支援發展省電應用。本文建議的方法共有11個步驟，設計人員只要發現尚未達成功耗目標，或者需要額外的執行期間技術來滿足應用功耗預算，就應該重新執行這些步驟。

在前述11個步驟裡，步驟(1)的意思很清楚，不需再做解釋。步驟(2)和(4)基本上就是利用這套評估模組來完成，它們證明一套廣泛供應的平台確實有其價值。步驟(3)（實驗）是在評估模組上執行，它會測量不同技術的省電能力，例如存取晶片內部和外部電路時的核心與系統功耗、DMA與CPU的傳輸比較、以及讓特定週邊裝置和時脈域進入閒置狀態的省電效果等。

與功耗有關的重要設計決定包括：

結語

要將省電能力強大的技術整合到即時作業系統，最好方法就是讓開發人員選擇最符合應用需求的技術。只要作業系統具備這些省電支援功能，開發人員就能輕鬆、安全和以最小負擔的方式提高應用電源效率。

本文介紹一種適合所有應用的功耗最佳化策略，它會在嵌入式應用的初期發展階段調整設計和減少耗電量。這套方法會視情況反覆執行某些步驟，例如當它發現耗電超出要求或需要增加其它執行期間技術時，就會重新執行最前面的幾項動作。本文以採用這套方法的音訊應用為例，證明只要利用幾種高效益省電技術，即可大幅降低應用的耗電量。

---作者任職於TI德州儀器---