Blackfin处理器低功耗设计

摘要：Blackfin处理器广泛应用于便携音视频产品等嵌入式系统，低功耗设计直接影响产品使用时间。文中从时钟频率、工作模式、片内外设、内核电压等方面，说明了Blackfin处理器低功耗设计的具体方法，根据实际应用实现对系统功耗的灵活控制与调节，最大程度上延长系统的有效使用时间。
关键词：DSP；Blackfin；低功耗

    Blackfin处理器功耗由内部功耗、外部功耗和实时钟功耗组成。内部功耗由内部动态电流和静态电流引起。外部功耗取决于处理器内外设的使用情况，在不同的应用场合，片内外设的使用有所不同，外部功耗也会不同。实时钟功耗一般处于特定范围之内，工作温度为25～85℃时，实时钟功耗范围为0．067～0．1825mW。Blackfin系列处理器提供了动态电源管理功能，灵活的对时钟频率、工作模式及内核电压进
行调整，以Blackfin533为例阐述Blackfin系列处理器低功耗设计的具体方法。

1 时钟频率控制
    现代DSP芯片中大量使用CMOS FET(Complementary Metal-oxide Semiconductor FET互补金属氧化物场效应管)开关，稳定时或者处于完全打开状态(很低的负载)，或者处于完全关闭状态，但是在两种状态转换过程中会产生漏电流，所以开关频率很高时，FET充放电会引起很大的电源功耗。因此，通过降低系统时钟频率可以有效降低系统功耗。
    Blackfin533通过外部时钟输入引脚CLKIN接收外部时钟源(10～40 MHz)的时钟输入，再通过锁相环(PLL)，电路模块产生内核时钟(CCLK)和系统时钟(SCLK)，通过设置PLL相关寄存器实现对CCLK和SCLK的频率控制。PLL系统如图l所示。

    CCLK和SCLK均由VCO(Voltage-ControlledOscillator-压控振荡器)输出的时钟分频后得到。VCO输出时钟频率由PLL控制寄存器(PLL_CTL)设置，CCLK和SCLK对VCO的分频因子由PLL分频寄存器(PLL_DIV)设置。PLL_CTL各位说明如表1所示。

    对于不同的DF和MSEL值，VCO输出相应的时钟频率，对应关系如表2所示。[!--empirenews.page--]

    需要注意的是VCO最小输出时钟频率为50 MHz，最大输出频率为内核时钟CCLK频率的最大值。对BlackfinBF533，CCLK最大值为600 MHz，而BF532／531的CCLK最大值为400 MHz。所以VCO输出频率不应超出范围50MHz～CCLK。
    通过设置PLL分频寄存器PLL_DIV中的CSEL(PLL_DIV的4～5位)确定CCLK，设置SSEL(PLL_DIV的0～3位)确定SCLK，具体对应关系如表3所示。

    由于SCLK频率不能高于CCLK的频率，所以在对SSEL参数设置时，需要确定当前CCLK的频率。
    假设外部时钟输入CLKIN=27 MHz，将CCLK设置为594 MHz(27×22)，SCLK设置为118．8 MHz(594／5)，程序代码如下
    

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2 工作模式转换
    Blackfin533具有4种工作模式：全速、激活、睡眠、深度睡眠，功耗大小关系为：全速>激活>睡眠>深度睡眠。不同模式下处理器的内核电压及时钟设置不同，如表4所示。所以灵活调整系统的工作模式可以有效的降低系统的功耗。

    在转换工作模式时，应该明确处理器当前的工作模式，而系统的工作模式由PLL控制寄存器(PLL_CTL)中的PLL_OFF，BYPASS，STOPCK和PDWN状态位共同确定。图2说明了各种工作模式转换之间的联系以及转换条件。

    通过设置PLL_CTL寄存器实现工作模式的转换，新的设置不会立即生效，需要先执行下面的一个程序段

    从当前工作模式转换至另一个工作模式的具体过程简述如下
    (1)设置唤醒请求，目的：将处理器唤醒，使PLL_CTL中新的设置生效以便进入新的工作模式。
    (2)按模式转换条件，设置PLL_CTL。
    (3)禁止一切中断，将处理器置入空闲状态，等待唤醒请求。
    (4)唤醒后恢复中断，PLL_CTL中设置的新值开始生效，处理器进入新的工作模式，继续执行其他指令。
    默认状态下，所有的中断都能产生1个唤醒请求，即当1个中断产生时，处理器内核就会收到1个唤醒请求，如果此时处于空闲状态，则会退出此状态，处理相应(中断)程序。通过系统中断唤醒使能寄存器(SIC_IWR)设置中断与唤醒请求之间的对应关系，其中24～31位保留，其他位分别对应了不同的中断源，如定时器中断、看门狗定时器中断、DMA中断等，某一位如果置1，则相应中断发生时就会产生1个唤醒事件。系统复位后，SIC_IWR中的所有位均为1。
    工作模式转换的关键就是对PLL_CTL的设置，这就要求确认系统当前的工作模式，再根据图2所示的转换条件设置PLL_CTL寄存器。另外必须设置唤醒请求，因为它有助于确定处理器何时被唤醒，进入预期的工作状态。
    下面是一个从全速模式到激活模式转换的实例：
    对唤醒请求进行设置，本例中利用看门狗定时器中断来产生这个唤醒请求。
    (1)设置定时器的计数值：通过看门狗计数寄存器(WDOG_CNT)设置。
    (2)设置相应事件：当定时器计数至O时产生中断，即看门狗控制寄存器(WDOG_CTL)第3位置1，其余位为0。
    (3)利用看门狗中断产生唤醒请求：SIC_IWR寄存器第24位置1，其他位为0，使能看门狗中断唤醒请求。

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3 片内外设控制
    系统设计中不是所有外设都能用到，而系统具体运行过程中，有些外设也不需要一直工作。所以，在适当的时候可以通过禁用不使用的外设来降低系统的功耗。Blackfin535有专门的外设时钟寄存器(PLL_IOCK)，统一控制所有外设的时钟，禁用某外设只需要将PLL_IOCK中对应位置0即可。Blackfin533／532／531没有这种统一的时钟控制寄存器，只能通过每个外设的控制寄存器来使能或禁用外设。

4 内核电压控制
    Blackfin系列处理器通过片内的调压器可以将外部的2．2～3．6 V的供电电压转换成0．85～1．2 V，为内核供电。由于功耗与电压的平方成正比，降低内核电压可有效降低系统功耗。片内的调压器需要搭配一定的外部电路才能实现其调压功能，外部电路图3所示。

    VDDEXT为I／O供电电压，VDDINT为内核供电电压，VROUT为外部FET／BJT驱动，用于控制开关频率。
    通过调压器控制寄存器(VR_CTL)的VLEV(4～7位)来设置内核电压值，VLEV与电压值的对应关系，如表5所示。

    修改VR_CTL的VLEV值可将内核电压控制在0．8～1．2 V，也可以将内核供电完全关闭，即将VR_CTL中的FREQ(O～1位)设置为00，此时内核时钟和系统时钟都会停止工作，而内核电压为0。修改内核工作电压的程序段需要放在对PLL_CTL设置程序之后执行。