Blackfin處理器低功耗設計

摘要：Blackfin處理器廣泛應用于便攜音視頻產品等嵌入式系統(tǒng)，低功耗設計直接影響產品使用時間。文中從時鐘頻率、工作模式、片內外設、內核電壓等方面，說明了Blackfin處理器低功耗設計的具體方法，根據(jù)實際應用實現(xiàn)對系統(tǒng)功耗的靈活控制與調節(jié)，最大程度上延長系統(tǒng)的有效使用時間。
關鍵詞：DSP；Blackfin；低功耗

    Blackfin處理器功耗由內部功耗、外部功耗和實時鐘功耗組成。內部功耗由內部動態(tài)電流和靜態(tài)電流引起。外部功耗取決于處理器內外設的使用情況，在不同的應用場合，片內外設的使用有所不同，外部功耗也會不同。實時鐘功耗一般處于特定范圍之內，工作溫度為25～85℃時，實時鐘功耗范圍為0．067～0．1825mW。Blackfin系列處理器提供了動態(tài)電源管理功能，靈活的對時鐘頻率、工作模式及內核電壓進
行調整，以Blackfin533為例闡述Blackfin系列處理器低功耗設計的具體方法。

1 時鐘頻率控制
    現(xiàn)代DSP芯片中大量使用CMOS FET(Complementary Metal-oxide Semiconductor FET互補金屬氧化物場效應管)開關，穩(wěn)定時或者處于完全打開狀態(tài)(很低的負載)，或者處于完全關閉狀態(tài)，但是在兩種狀態(tài)轉換過程中會產生漏電流，所以開關頻率很高時，F(xiàn)ET充放電會引起很大的電源功耗。因此，通過降低系統(tǒng)時鐘頻率可以有效降低系統(tǒng)功耗。
    Blackfin533通過外部時鐘輸入引腳CLKIN接收外部時鐘源(10～40 MHz)的時鐘輸入，再通過鎖相環(huán)(PLL)，電路模塊產生內核時鐘(CCLK)和系統(tǒng)時鐘(SCLK)，通過設置PLL相關寄存器實現(xiàn)對CCLK和SCLK的頻率控制。PLL系統(tǒng)如圖l所示。

    CCLK和SCLK均由VCO(Voltage-ControlledOscillator-壓控振蕩器)輸出的時鐘分頻后得到。VCO輸出時鐘頻率由PLL控制寄存器(PLL_CTL)設置，CCLK和SCLK對VCO的分頻因子由PLL分頻寄存器(PLL_DIV)設置。PLL_CTL各位說明如表1所示。

    對于不同的DF和MSEL值，VCO輸出相應的時鐘頻率，對應關系如表2所示。[!--empirenews.page--]

    需要注意的是VCO最小輸出時鐘頻率為50 MHz，最大輸出頻率為內核時鐘CCLK頻率的最大值。對BlackfinBF533，CCLK最大值為600 MHz，而BF532／531的CCLK最大值為400 MHz。所以VCO輸出頻率不應超出范圍50MHz～CCLK。
    通過設置PLL分頻寄存器PLL_DIV中的CSEL(PLL_DIV的4～5位)確定CCLK，設置SSEL(PLL_DIV的0～3位)確定SCLK，具體對應關系如表3所示。

    由于SCLK頻率不能高于CCLK的頻率，所以在對SSEL參數(shù)設置時，需要確定當前CCLK的頻率。
    假設外部時鐘輸入CLKIN=27 MHz，將CCLK設置為594 MHz(27×22)，SCLK設置為118．8 MHz(594／5)，程序代碼如下
    

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2 工作模式轉換
    Blackfin533具有4種工作模式：全速、激活、睡眠、深度睡眠，功耗大小關系為：全速>激活>睡眠>深度睡眠。不同模式下處理器的內核電壓及時鐘設置不同，如表4所示。所以靈活調整系統(tǒng)的工作模式可以有效的降低系統(tǒng)的功耗。

    在轉換工作模式時，應該明確處理器當前的工作模式，而系統(tǒng)的工作模式由PLL控制寄存器(PLL_CTL)中的PLL_OFF，BYPASS，STOPCK和PDWN狀態(tài)位共同確定。圖2說明了各種工作模式轉換之間的聯(lián)系以及轉換條件。

    通過設置PLL_CTL寄存器實現(xiàn)工作模式的轉換，新的設置不會立即生效，需要先執(zhí)行下面的一個程序段

    從當前工作模式轉換至另一個工作模式的具體過程簡述如下
    (1)設置喚醒請求，目的：將處理器喚醒，使PLL_CTL中新的設置生效以便進入新的工作模式。
    (2)按模式轉換條件，設置PLL_CTL。
    (3)禁止一切中斷，將處理器置入空閑狀態(tài)，等待喚醒請求。
    (4)喚醒后恢復中斷，PLL_CTL中設置的新值開始生效，處理器進入新的工作模式，繼續(xù)執(zhí)行其他指令。
    默認狀態(tài)下，所有的中斷都能產生1個喚醒請求，即當1個中斷產生時，處理器內核就會收到1個喚醒請求，如果此時處于空閑狀態(tài)，則會退出此狀態(tài)，處理相應(中斷)程序。通過系統(tǒng)中斷喚醒使能寄存器(SIC_IWR)設置中斷與喚醒請求之間的對應關系，其中24～31位保留，其他位分別對應了不同的中斷源，如定時器中斷、看門狗定時器中斷、DMA中斷等，某一位如果置1，則相應中斷發(fā)生時就會產生1個喚醒事件。系統(tǒng)復位后，SIC_IWR中的所有位均為1。
    工作模式轉換的關鍵就是對PLL_CTL的設置，這就要求確認系統(tǒng)當前的工作模式，再根據(jù)圖2所示的轉換條件設置PLL_CTL寄存器。另外必須設置喚醒請求，因為它有助于確定處理器何時被喚醒，進入預期的工作狀態(tài)。
    下面是一個從全速模式到激活模式轉換的實例：
    對喚醒請求進行設置，本例中利用看門狗定時器中斷來產生這個喚醒請求。
    (1)設置定時器的計數(shù)值：通過看門狗計數(shù)寄存器(WDOG_CNT)設置。
    (2)設置相應事件：當定時器計數(shù)至O時產生中斷，即看門狗控制寄存器(WDOG_CTL)第3位置1，其余位為0。
    (3)利用看門狗中斷產生喚醒請求：SIC_IWR寄存器第24位置1，其他位為0，使能看門狗中斷喚醒請求。

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3 片內外設控制
    系統(tǒng)設計中不是所有外設都能用到，而系統(tǒng)具體運行過程中，有些外設也不需要一直工作。所以，在適當?shù)臅r候可以通過禁用不使用的外設來降低系統(tǒng)的功耗。Blackfin535有專門的外設時鐘寄存器(PLL_IOCK)，統(tǒng)一控制所有外設的時鐘，禁用某外設只需要將PLL_IOCK中對應位置0即可。Blackfin533／532／531沒有這種統(tǒng)一的時鐘控制寄存器，只能通過每個外設的控制寄存器來使能或禁用外設。

4 內核電壓控制
    Blackfin系列處理器通過片內的調壓器可以將外部的2．2～3．6 V的供電電壓轉換成0．85～1．2 V，為內核供電。由于功耗與電壓的平方成正比，降低內核電壓可有效降低系統(tǒng)功耗。片內的調壓器需要搭配一定的外部電路才能實現(xiàn)其調壓功能，外部電路圖3所示。

    VDDEXT為I／O供電電壓，VDDINT為內核供電電壓，VROUT為外部FET／BJT驅動，用于控制開關頻率。
    通過調壓器控制寄存器(VR_CTL)的VLEV(4～7位)來設置內核電壓值，VLEV與電壓值的對應關系，如表5所示。

    修改VR_CTL的VLEV值可將內核電壓控制在0．8～1．2 V，也可以將內核供電完全關閉，即將VR_CTL中的FREQ(O～1位)設置為00，此時內核時鐘和系統(tǒng)時鐘都會停止工作，而內核電壓為0。修改內核工作電壓的程序段需要放在對PLL_CTL設置程序之后執(zhí)行。