过去，选用低功耗" title="低功耗">低功耗 CPU通常意味着需要牺牲其功能性、降低时钟运行速度、或需要等待新型低功耗技术推出才能降低待机和工作功耗。现在，这种情况已得到了彻底改观，处理器产业发生了翻天覆地的变化。处理技术不断发展，创新型芯片设计和高精细粒度电源管理软件不断进步，为我们带来了全新系列的低功耗处理器，设计人员" title="设计人员">设计人员再也不用承受牺牲系统设计性能的代价。当然，没有哪种产品是十全十美的，因此工程师必须认真考虑系统要求，分析不断丰富的低功耗处理器产品，找出最能满足其应用要求的解决方案。

本文将以产品选择指南的形式总结性介绍产业技术发展水平。在选择产品时，主要应考虑两大要素：第一，系统设计人员需高度重视如下设计标准：

• 功耗
• 性能
• 集成性
• 上市时间
• 价格

    第二个因素就是处理器，我们可根据处理器所包含的不同特性集对其加以分析，然后阐述一般性标准的真实含意以及如何为各种类型的处理器评级。了解处理器信息可实现两大目标：一是帮助系统设计人员了解市场上最新的处理器类型，其中有些可能对于他们而言是相对不太熟悉的新产品；二是在可选产品日趋丰富的情况下，可进一步帮他们缩小为既定设计选择最佳芯片的范围。

检验标准

    表 1 向您综合介绍了各种不同的低功耗器件，根据设计人员感兴趣的几种标准将低功耗处理器分为几大不同的类型。首先我们要注意的是，这些标准都是彼此密切相关的。例如，在芯片上" title="片上">片上集成多个内核、模拟特性、大容量存储器或众多外设" title="外设">外设等多种功能有助于降低系统总功耗与成本，并显著加速产品上市进程。但是，这样的高度集成会增加功耗，并使编程更复杂，从而延长产品的上市时间。

功耗

    对当前众多设计而言，这可谓是最重要的标准。对于便携式产品而言，更长的电池使用寿命是消费者最关心的问题。如基础局端应用，低功耗转换有助于降低散热量，但散热“包络组件”又可能影响通道密度，不利于增加特性。此外，有些设计方案的就限定不能有高功率，如采用 USB 供电的产品或使用汽车电池的汽车配件产品，这种应用就限定仅能有几毫瓦的运行功率。

    我们应从系统角度更好地认识功耗。片上外设的正确组合有助于进一步降低总体系统功耗，这不仅是因为片外器件耗电更多，还因为在 PC 板上的线迹间传输数据消耗的电力比在器件自身内部传输数据消耗的电力要多得多。

    就独立器件而言，其节能性取决于工艺技术的固有优势，不过高级处理器除了先进工艺之外，还有众多其他功能。功耗可分为两大模式：一是工作功耗，也就是数据处理期间晶体管转换与工作时的功耗；二是静态功耗，即不进行数据处理工作或其工作受限以及各种组件进入类似休眠模式时的功耗。

工作状态的电源管理可采用数种方案：

• 动态电压与频率缩放 (DVFS)：采用 DVFS 技术时，软件命令可根据应用方案所需的性能降低时钟速率与电压。例如，尽管多媒体处理器的 ARM 运行速度可达 600 MHz，但并不是所有情况下都需要如此高的功率。软件可在预定义的工作性能点上做出选择，让处理器以特定速率运行。
• 自适应电压缩放 (AVS)：硅芯片制造工艺会导致不同部件有着不同的性能分布，我们可利用这一特点实施 AVS 技术。也就是说，在既定频率要求下，有些所谓“热”器件的产品可以较低电压实现较高性能，而“冷”器件则做不到这一点。在此情况下，处理器能感测其自身的性能级别，并相应调节电压，以补偿处理、温度及硅芯片衰减等变化因素。
• 动态电源转换 (DPS)：该技术可确定器件某个部分是否已完成其当前任务、目前是否还需要它继续工作以及何时可让它进入低功耗状态。该粒度化电源控制的一个范例就是处理器在等待 DMA 传输完成过程中已进入低功耗状态。

    如果不进行数据处理或处理工作受限时，选定组件便可进入极低的功耗模式，且系统等待唤醒事件，这时静态电源管理就会启动。通过众所周知的静态漏电管理方案来实现静态电流管理，可支持数种不同的低功耗模式，其中包括待机模式乃至完全处于电源关闭状态 (Power Off)。低功耗静态模式的选择取决于存储器保持度和/或是否需要快速唤醒。

    凭借上述特性，大多数低功耗处理器规定的待机功耗约为 15 mW，且峰值工作功耗低于 400 mW；不过，德州仪器 (TI) 推出的 TMS320C55x 等定点 DSP 的功耗更低，尽管其集成了 FFT 协处理器" title="协处理器">协处理器，且存储器容量达 320kB，同时还支持 I/O 外设，但待机功耗仅为 0.50 mW，峰值工作功耗可为 75 mW。

表格中的大多数器件即便不是实施了所有这些低功耗特性的话也是实施了其中的大多数，因而能够在功耗等级方面被评为“优”。表中列为“良”的产品是性能最高的芯片，通常采用多个内核，因此功耗较高也很自然。

性能

    更强大的处理能力非常重要，它不仅可实现全新的功能，提高单位成本或面积的通道数量，加快数据速率，增加密度，实现更高质量的压缩方法，从而实现特色化的终端用户产品。

    在考虑产品性能时，除了 MHz 这一指标之外，工程师还应考虑并行处理能力。通过不同方式集成 DSP、ARM 或协处理器的芯片可大幅提高性能。OMAP 平台就是一个很好的范例。工程师可将代码分组，分别运行在最适用的内核上。即便器件仅采用一个内核，也能支持并行处理功能。例如，低功耗定点TMS320C640x 系列就采用单颗 CPU，能够支持300 MHz频率并行运行的八个指令单元，因此处理性能非常高。在同样确保低功耗预算的情况下，该器件的处理性能是市场上其他低功耗处理器的 2 倍。

    除了集成处理元件之外，集成其他系统组件也有助于大幅提升性能。例如，足够的片上存储器容量意味着可在 CPU 需要频繁导入并导出数据的情况下大幅加快代码运行速度。

    不管开发什么类型的系统（多媒体设备或是功能性有限但需要尽可能降低功耗的设备），设计人员都能选择到一款恰好能够满足所需处理能力的处理器。

    在上表中，我们可以看到性能从“中”到“优”，主要体现在既定器件能让多少个内核并行工作、片上外设有多少上。不过，我们通常必须在性能与功耗之间做出折中平衡。

集成

    显然，集成度与性能密切相关。如前所述，某些芯片技术使设计人员能在同一芯片上集成 DSP、ARM9 或协处理器之一或全部。

    不过，从集成角度来说，我们还可在当今器件上集成其他重要系统组件。集成存储器就是一个很好的例子，其不仅有助于降低总体系统价格、节约系统功耗，而且还能简化开发。一些低功耗处理器可直接在芯片上集成容量高达 50MB 的存储器，如 TI 的OMAP-L1x 系列。在众多情况下，我们都不再需要外接存储器。

    不过，当前的存储器可集成的外设种类越来越丰富，其中也包括模拟组件，逐次逼近寄存器 (SAR) A/D 转换器就是一个主要的例子。比方说，SAR 可用于消费类电子设备中常见的触摸显示屏接口。此外，其另一个应用例子是通用并行端口 (uPP)，可直接连接至系统上的各种其他部件，如高速 ADC 或 FPGA 等。就当前的低功耗处理器而言，用户还能通过以太网 MAC、USB 2.0、支持海量存储的串行 ATA（SATA）、用于WLAN 支持等 I/O 功能的 SDIO、LCD 控制器以及视频端口接口等获得针对网络的片上支持。

    在上表中，我们看到评分为“优”的器件采用多个内核或协处理器，而且还支持多种外设；评分为“良”的器件仅支持单内核，但同时支持多种存储器与外设；而评分为“中”的器件则支持较少的外设，不过它们的优点在于功耗低，而且成本较低廉。

上市时间

    随着消费类电子产品的技术创新速度不断加快，产品寿命也从几年缩短至几个月，因而产品上市进程日益重要。某同业公司刚刚推出最新型的尖端产品，几个月或是数周后立即就会有竞争对手跟进推出新产品，这是因为新产品拥有吸引消费者注意力的重要新特性。

    产品投放市场的速度与集成度密切相关。显然，如果组件实现片上集成，那么工程师所需的开发和故障调试时间就可以大幅缩短，因为不必再开发多个芯片之间协调所需的接口和数据交换机制了。此外，PC 电路板互连和不同驱动之间协作的问题也得以减少。

    不过，如果芯片上集成的内核或外设太多，工程师就需要适当的软件工具以执行这些组件。举例来说，如果集成了ARM和DSP，就应该采用良好的工具集在统一的编程环境中需要两个内核资源以便于应用开发。此外，工程师还应了解处理器厂商能否提供其它工具，如针对各种内核优化的第三方算法库等，或者支持 Matlab 的 Simulink 或 National Instruments 的 LabVIEW 等第三方工具，以及评估/开发电路板乃至各种操作系统和开源选项等。这些因素对缩短开发时间、按计划推出产品等而言都非常重要。

    还有最后一点不容忽视，即 TMS320C674x 等浮点器件的编程复杂性较低。在众多情况下，开发人员都能在台式 PC 上用 Simulink 和 LabVIEW 等熟悉的工具编写代码，并将代码移植到 DSP 上，而且只需做极少的修改，甚至根本无需修改。

    不过总体上我们可以肯定地说，芯片的性能越高，所需的开发时间就越长。如果是需要较高级性能的复杂产品，则显然在代码的开发和故障调试方面就需要更长的时间。

    最后，工程师必须始终提前考虑到为其下一代产品做好准备。在某些市场上，标准变动非常快，而企业又希望快速占据市场。这时，设计人员就必须构建出能面向未来市场的产品，并可根据新标准或新增特性的要求及时实现升级。因此，了解处理器系列非常重要，检验其在软件与引脚对引脚兼容性方面是否存在问题——如果需要提高计算能力的话，是否能在尽可能少地改动整体系统设计和代码的情况下实现性能提高。

    上表中，评分为“优”的产品在软件与硬件方面的支持都非常丰富。评分为“良”的产品集成度较低，需要更多片外外设或存储器，相关的设计工作也更多一些。

价格

    在评估价格这一标准时，工程师不应单着眼于芯片的价格。芯片本身的价格正不断下降，以至于现在大多数低功耗处理器的成本都不足 15 美元。根据器件的具体特性，价格可降低至 4 美元。对消费类应用来说，每个组件的成本都很关键。但对于基础局端或商业应用来说，单个组件的成本并不太重要，拥有成本与效率才是更应关注的问题。

    工程师更应关注整体的系统成本问题。反过头来还以存储器为例，如果产品的所有算法运行都采用片上存储器，那么仅通过减少不必要的外部存储器芯片就能节约1到2美元。如果集成了诸如 SATA、以太网、存储器、USB 2.0 以及 ARM9 等，就能显著节约系统成本（可高达 9 美元），如在讨论集成章节时提到的 OMAP-L1X 系列或其他高集成度外设。

    除了芯片的价格之外，工程师还应评估开发的简易性，这包括了软硬件开发工具、技术支持、培训、第三方支持、文档、工程设计时间/开销以及 NRE 开发费用等。加速开发进程有助于实现更高质量的终端产品，因为宝贵的时间与金钱可用于实现产品的差异化，而不是花费在构建设计基础局端上。

    因此，工程师不光要考虑开发电路板与仿真器的价格，还要考虑其质量，以及能多快地提高开发速度。高质量 IDE 与编译器使设计人员能够更全面地了解设计情况，并加速产品上市进程。工程师应关注哪些硅芯片厂商能提供免专利费的操作系统，哪些第三方合作伙伴能提供经过经验证的、可直接投入使用的代码，如在基于 DSP 的设计中用到的编解码器等，此外，还应注意可以帮助设计人员快速启动设计工作的技术框架。

    此外，板面布局与制造方面的成本也不容忽视。重要的不仅在于器件数量，还包括器件的工艺间距。小间距器件的系统级板面布局与制造更加昂贵。

    在上表中，我们看到，价格通常与内核数据以及片上外设成反比。集成组件越多，器件的价格显然也就越贵，设计工作的强度也越大，因为这些产品通常适用于最先进的便携式系统。举例来说，同时集成 了DSP、ARM 以及协处理器的高性能应用处理器是唯一被评为“中”的门类。

低功耗应用

    即便拥有上表的帮助，我们也很难为既定应用选出最适合的器件，总免不了要做出一定的设计折中平衡。不过，我们可以简单探讨一下应用要求，或许可以提供一些指导。

    要求低功耗特性的应用种类越来越多，我们可将这些应用分为以下几个大类：

• 采用插入式电源或 USB 供电的产品，如车载免提套件、GPS dongle、触摸屏或喇叭扩音器等；
• 消费者希望电池能工作至少一整天的应用，如无线麦克风、乐器、降噪耳机、无线打印机，乃至多参数便携式医疗仪器等；
• 电池可工作长达两个星期的应用，如录音机、电子书、门禁指纹验证或单参数便携式医疗仪器等。

    还有一种应用分类方法就是根据功能性进行区分。便携式设备会考虑到高精确度问题。比方说，乐器或音频产品会需要较广的动态范围。这种精确度与动态范围通常需要采用 TI TMS320C674x DSP 这样的浮点处理器，这是一款业界功耗最低的产品，功耗可低至 15 mW。

    现在我们不妨考虑一款采用丰富特性 GUI 的应用。这时我们应当选择一款支持 ARM处理功能的器件。由于具备诸如 OMAP-L1x 这种集成了 ARM 和 DSP 功能的产品，我们可以获得足够强大的功能，以便既能运行 GUI，又能满足复杂的处理任务的要求。

    消费者会要求某些产品具备超长的电池使用寿命，如便携式录音机／播放器、电子书阅读器、便携式麦克风甚或是家用腕表式医疗仪器等。支持低功耗待机模式的 C550x 等处理器能高效利用深度休眠模式（功耗低至 6.8 μW）与待机模式（功耗低至 0.5 mW），因而可实现数周的电池使用寿命。

总结

    如本文所述，低功耗处理器的所有选择参数都是密切相关的。通常说来，性能越高，功耗就越大，不过现在，产品功耗已经普遍降低，因此无论您有何种应用需求，几乎都能找到一款适用的低功耗处理器。

    如欲了解更多详情，敬请访问：http://focus.ti.com.cn/cn/paramsearch/docs/parametricsearch.tsp?family=dsp§ionId=2&tabId=2232&familyId=1622。