移动终端设计:兼顾性能和使用时间

技术分类: 消费电子设计  | 2003-09-12
Kathleen Wiggenhorn,摩托罗拉半导体公司无线与宽带系统部

--- 移动设备的电源消耗指标与速度和功能同等重要
  当我们初次跨入第3代移动通信这一激动人心的新世界时,我们正在尝试一种商业运作的革命性新方法,利用这种方法,移动通信不再限制我们的生产力,我们再也不会被拴系在电源出口或被限制在办公室这种只有几平方英尺的空间里。我们正视自己手掌中掌握着硬件连接的家庭或办公室所拥有的所有权力。然而,我们也知道,移动通信系统有一个致命缺陷 - 移动通信的电源。不管移动通信设备怎么变,电池总会限制工作量。这就是为何低功耗如同速度和功能一样重要的原因,在进行移动通信设备的设计时低功耗是必须考虑的重要因素。也正因为此,我们提出了性能与持久性 -- 长电池寿命支持广范围应用需要的能力。
  关键不在"兆赫"
  性能与持久性涉及多种因素,但最关键的在于位于设备中心的处理器,另外,当你为了完成任务需要延长移动通信设备的通信时间时,最重要的是缩短执行任务的时间。据说一些销售商已把处理器推向了移动通信市场,有人认为这一电源问题可通过改变处理器的"兆赫"解决。但是这在理论上是有缺陷的 -- 得以改善的性能并不是因为时钟速度的提高和通过中央处理器得到更多的兆赫,而是得益于你为
了完成更多的工作而从整个系统得到的兆赫支援 -- 在这一处理过程中没有浪费任何时间或能量。对于一个慢存储系统来说,处理器超频没有任何意义。实际上对于同一工作任务,处理器应该设计为低时钟速度下的快速工作,低时钟速度便有利于节省电源。最近的研究表明:不同的设计途径能够提高性能70%、电源消耗节省23%。
  事实上,含极宽、极快系统"总线"的高兆赫处理器能够处理平坦、线路无妨碍的数据。然而,在便携式无线通信系统中,总线将趋于更慢、更窄,并且在某一时间只能承载有限的数据。当你增大中央处理器时钟时,你必须给予数据和指令。当该数据涌入总线,就会产生一个瓶颈 -- 试图读、写到外部主存储器 -- 超频处理器将会迅速过度消耗能量,紧接着耗尽电池。
  处理器之外另有名堂
  构筑一台新的处理器体系是非常困难的。因此,包括摩托罗拉在内的许多销售商开始转向基于ARM内核的技术。ARM内核技术在工业界已经获得广泛认可并且能提供许多优点。一旦选择了这种内核技术,就会有多种以实现经济性为目的设计和制造方案供选择。一些销售商如摩托罗拉,很擅长这类实践,从而实现包括下列特性在内的性能和特久性:
双 VT (双阈值电压): 半导体设计中的每个晶体管都有关联的阀值电压(VT),这种阀值电压用于决定在什么电压电平下触发"门"的开或者关。一般来讲,由于电压触发门并不需要太大的电压波动,所以较低VT的晶体管更能提供高的性能。然而,低VT晶体管制造技术又往往生产出有较高漏泄电流的器件,因此,包括便携式电池供电的产品在内,其备用电流的消耗常常高于你的预想。在过去,制造商们决定:或者调高器件速度(这种情况下备用电流较弱)、或者采用更高的VT晶体管进行设计(这种情况下运行速度较慢,但是减少了备用电流的消耗)。现在,我们已经有能力在同一芯片上制作高、低两个VT晶体管,低VT晶体管只用于那些要求速度的关键路径电路。大多数器件可使用具有低备用电流特点的高VT晶体管。
  良好的偏置电压: 实质上,备用电流漏泄就是经由晶体管内薄氧化层门结点的电子"泄漏"。电流流通量同越过结的电压密切相关。即使在备用模式下,结两侧的电压之间存在较大的差别,而且会产生较大的漏泄 -- 更多的电流被耗尽。通过偏置调节,使衬底侧的电压更接近和匹配晶体管另一侧的电压,于是降低越过结的电压,从而减少漏泄。尽管双VT属于芯片级技术,但这种"良好的偏置"有助于减少晶体管上的电流消耗。这两种方法可同时用于同一器件,以使备用电流消耗减至最小。
  动态电源和频率变换(DVFS): 简单地讲,动态电源和频率变换就是在不需要全速工作时调节时钟速度和电源供给,从而实现低的电流消耗。例如,如果应用中仅仅只需要50 MHz,那么就没有理由在200 MHz下运行。低的时钟意味着可降低工作电压,换句话说就是减小对电池电源的需要。
  直接存储器访问(DMA) - 直接存储器访问容易移动数据,处理器负担最小。DMA允许外围设备和存储器之间的路径旁通过处理器。因为数据链路短而且直接,所以DMA有助于提高效率和性能,而且这种设计有利于节省处理器资源,可为这一特别任务合理分配功率和资源。这意味着CPU能够用更多的资源执行其它任务,从而提高系统性能。也就是说,因为工作量小,要求的速度不高,从而节省电源。
  时钟门控- 在维持相同水平的性能和功能时,时钟门控是减少电源消耗的有效途经。一般来讲,设定时钟后电路需要用电,但是如果时钟被门控,就会出现少量的电流渗漏(微安培)、或者中途隔断电流渗漏。一些制造业者通过关闭处理器未用部分的时钟,已经实现了明显的电源节省。
  硬件与软件
0
0
(请您对文章做出评价)
1】【2
加载中

对文章的评论

更多评论

剩余字数:  

相关在线研讨会

我要参加

东芝高效节能的电源器件构建绿色环保产品

时间:2009-02-26  10:00:00--12:00:00
简介:做为东芝集团的核心业务之一,东芝分立元器件产品连续占领全球第一的市场份额充分展示了东芝在技术研发、工艺、生产等全方面的优势… 马上参会

浏览该文章的用户还看过...

  • 文 章

  • 论 坛

  • 博 客

  • 小 组

设计资源与分销

  • 博客推荐

  • 论坛推荐

  • 在线研讨会