此外,，電源管理芯片制造商僅僅把注意力集中在供電的管理方面,。情況一般是這樣的，嵌入式處理器供應商給出輸入／輸出功率要求,，功率半導體供應商則爭相開發(fā)出盡可能高效的滿足要求的 IC,。然而，現(xiàn)在象開關穩(wěn)壓器這樣的電源管理 IC 效率已經(jīng)達到了 95% 的高峰,。這迫使今天的電源 IC 供應商不僅要在價格上競爭,，還要靠效率的每一點細微增長進行競爭。當前手機市場的發(fā)展趨勢顯示,，這些傳統(tǒng)的方法已無法滿足業(yè)界對提升效率的需求,。

　　盡管電池技術一直有穩(wěn)定改進，如更長的壽命及更小的體積,，但這種發(fā)展仍然無法趕上下一代設計快速增長的功率需求,。要在新產(chǎn)品中將電池壽命延長到最終用戶可以接受的水平，普通的電源管理方法已經(jīng)不能勝任了,。

　　工藝技術的發(fā)展趨勢也加劇了電源管理的復雜性,。過去，CMOS 晶體管在靜態(tài)時消耗功率很少,，幾乎可以忽略不計,。然而，隨著速度和密度的增加,，工藝尺寸在不斷縮小,，靜態(tài)功耗也在增長。根據(jù)估計,，對于用 0.13 微米高速工藝實現(xiàn)的芯片,，其靜態(tài)功耗要占總功耗的 15-20%。而且,，隨著工藝技術進入 100 納米以下,，靜態(tài)功耗將呈現(xiàn)指數(shù)式的增長，并將在處理器總功耗中占據(jù)主要部分,。

　　有一種方法可以協(xié)調(diào)高性能與低功耗之間的矛盾,，這就是讓處理器根據(jù)當前的工作負載，運行在不同的性能等級上,。舉例來說,，一個 MPEG 視頻播放器需要的處理性能比 MP3 音頻播放器高一個數(shù)量級。因此,，當播放 MP3 時,，處理器可以運行在較低頻率上，而仍然能保證播放的高質(zhì)量,。當時鐘頻率降低時,，可以同時降低處理器的供電電壓，以達到節(jié)能的目的,。

　　動態(tài)電壓調(diào)整技術 （DVS） 就利用了這樣一個事實,，即 CMOS 工藝處理器的峰值頻率與供電電壓成正比。圖 1 顯示了頻率與電壓的關系,，其中的測試使用了一個 ARM926EJ-S 處理器內(nèi)核（0.18 微米工藝）,。可以看到轉(zhuǎn)折點在大約 90 MHz,，這是調(diào)整技術適用電壓范圍的一個限額,。

　　以下是一個 CMOS 電路的近似功率方程：

　　P = CVDD 2fc + VDDIQ其中：

　　· P 為供電電壓 VDD 消耗的功率。

　　· C（VDD）2fc 是源于切換的動態(tài)功耗部分（C 是電容,，fc 為頻率）,。

　　· VDDIQ 是源于泄漏的靜態(tài)功耗部分（IQ 為泄漏電流）顯然，對一個給定負載,，動態(tài)功率的量值與供電電壓的平方成正比,。

　　減少供電電壓并同時降低處理器的時鐘速度，功耗將會呈二次方的速度下降,，代價是增加了運行時間,。由于每次電池充電后其中儲存的能量是有限的，所以能量管理技術是唯一一種可以擴展電池使用壽命的方法,。圖 2 顯示的是當頻率與電壓都從最高值下調(diào)時,，等效的節(jié)能情況。因為電壓的下降不可能超過某一個最低限,，所以即使把頻率降低到曲度以下也不能產(chǎn)生更多的節(jié)能效果,。因此，能量管理技術也存在一個適用頻率范圍,，在這個范圍內(nèi)的電壓升降才是有效的（本例中約為 90-170 MHz）,。

圖2 計算出ARM926EJ-S處理器節(jié)能與頻率關系圖

　　電壓控制和頻率控制的要求圖 3 比較了兩種電源管理方法的效果,，一種使用動態(tài)電壓調(diào)整法（DVS），另一種是普通的門控電源管理方法,。DVS 方法能顯著降低整體功耗,。

　　一般來說，處理器運行得都太快了,。例如,，從 QoS 觀點來看，如果軟件只需要在一秒鐘內(nèi)顯示完 30 幀視頻圖像,，則處理器在半秒內(nèi)就完成所有解碼是沒有意義的,。提前完成任務的做法使能量利用效率較低。

　　取得性能與節(jié)能平衡的關鍵在于使用智能軟件,，它可以把處理器的性能降低到正好滿足應用軟件需求底線的水平,。這種軟件應該包括“性能設定”算法，由該算法來確定處理器運行的最佳性能級別,，并且管理象 DVS 這樣的性能調(diào)整技術,。

　　現(xiàn)有的 DVS 系統(tǒng)使用的是開環(huán)控制技術，CPU 的特性是通過給定時鐘速度和電壓下的工作量來確定的,，并留有足夠的余量來適應溫度,、供電和晶圓工藝的變化。

　　嵌入式處理器被設計成能在寬廣的溫度范圍內(nèi)工作和適應不同的硅工藝,。因此,，必須采用較高的安全裕度，才能在電源效率降低時確保足夠的安全工作范圍,。隨著供電電壓逐步轉(zhuǎn)向 1.2V 或更低,，所需安全裕度的百分比也隨之增加，以覆蓋溫度及硅片工藝的各種變化,。

　　CMOS 電路的速度會隨溫度的升高而減慢,，這一效應必須算到供電電壓安全裕度里，雖然一般的工作溫度都是室溫,。由于工藝技術的變數(shù)很多,，如不同內(nèi)核、不同晶圓,、不同批量甚至不同代工廠都各不相同,。為了保證高的產(chǎn)量，這些保護帶（guard-b ands）可以相當寬,，從而對總體功耗有顯著的影響,。

　　可以用大量的特性來構(gòu)建一個頻率與電壓對照表，以確保在所有工作條件下都能滿足性能要求。然后把一個確定的電壓／速度集合以硬編碼方式寫到芯片中,。在實際工作中,，SoC 上定制的軟件驅(qū)動通過一個專門的硬件接口來設定所需電壓級別。在改變時鐘頻率前,，必須通過一個定時器或其它方法來檢查穩(wěn)定電壓狀態(tài)（VDD_OK）,。

　　自適應電壓調(diào)整（AVS）方法是一種閉環(huán)控制技術，它比 DVS 有明顯的改進,。AVS 采用固有的對工藝與溫度變化的補償，簡化了電壓調(diào)整的方法,，不再需要頻率／電壓表,。這種技術的實現(xiàn)需要與嵌入式處理器協(xié)同使用幾個硬件性能監(jiān)控器，由它們接收從性能設定算法送來的更改性能級別的請求,。這些性能監(jiān)控器可以準確地監(jiān)控內(nèi)核內(nèi)外的工藝與溫度變化情況,，并且通過標準接口與外部的能量管理單元（EMU）進行通信。

　　ARM國家半導體能量管理解決方案ARM公司一直在研究一種對性能調(diào)整硬件進行智能控制的解決方案,。美國國家半導體公司則一直在研究一種智能控制供電電壓,、簡化 DVS 方法以及通過 AVS 減小安全裕度的解決方案。兩家公司現(xiàn)在已經(jīng)可以給電池供電設備的開發(fā)商提供一種端到端的方案,。

　　ARM 公司的 Intelligent Energy Manager（智能能量管理器,，IEM）解決方案以一個軟件部件為中心，即 Intelligent Energy Management 軟件,。IEM 軟件與運行在應用軟件下的操作系統(tǒng)（OS）相互銜接,，使用從 OS 內(nèi)部架構(gòu)獲得的參數(shù)，通過正在運行的應用程序“指導” OS 的使用,?？梢杂靡恍碗s的軟件算法來評價不同類型的軟件活動，然后產(chǎn)生一個對未來性能的預測,。每個預測結(jié)果用一個評測棧來加總,，以確定出一個總體的性能預測。

　　策略棧的工作情況顯示在圖 4 中,。每個算法都把自己的預測作為一種性能級別 （PeRF.）送進棧中,，每個預測都有一個相關的指令指出當前預測的權重，如果信任水平為低則 IGNORE（放棄該預測）,，如果為高則 SET（指定該預測）,，SET_IFGT 表示如果該預測的信任水平在棧中為最高，則應該使用該水平,。當系統(tǒng)中發(fā)生某特殊事件時,，例如一次任務切換，則要從棧底開始向上重新對不同的預測進行評估，以導出一個唯一的總體性能預測,。

　　與 IEM 軟件一起聯(lián)合工作的是 Intelligent Energy Controller（智能能量控制器,，IEC）部件。IEC 是一個 APB 外設,，它可以快速地集成到任何基于 AMBA 規(guī)范的 SoC 設計中,。IEC 使用精密計數(shù)器和定時器測出當前的系統(tǒng)性能水平，并將其送給軟件,，以確保處理器的性能永遠能夠滿足軟件工作負荷的最低要求,。它還將大部分軟件測量活動下載給硬件，從而減少了處理器上 IEM 軟件的開銷,。

　　IEC 部件還提供一個對性能調(diào)整硬件的抽象,。從軟件的角度看，當工作負載變化而且預測被修改時,，才向 IEC 提交一個新的性能級別請求,。這種性能級別的實現(xiàn)則用抽象方法對軟件進行隱藏。ARM 的 IEM 軟件部件優(yōu)化功耗的性能設定算法是基于工作負荷的差異,，與之類似,，國家半導體的 PowerWise 技術也根據(jù)當時的環(huán)境狀況以及各器件間的工藝差異，通過調(diào)整運行參數(shù)來確保處理器不會在最差的情況下工作,。

　　國家半導體用于自適應電壓調(diào)整或動態(tài)電壓調(diào)整的 PowerWise 技術的核心是一個低門數(shù),、綜合的數(shù)字部件，名叫 Adaptive Power CONtroller（自適應功率控制器,，APC）,。APC 包括硬件性能監(jiān)控器，它可以準確地監(jiān)控處理器的功耗,，跟蹤溫度以及不同器件工藝的變化,。APC 與片外能量管理單元（EMU）的通信通過一個雙線、雙向總線進行,，這個總線叫 PowerWise 接口（PWI）,。

　　圖 5 顯示了完整的端到端參考解決方案，它使用了 ARM 公司的 IEM 和 IEC 部件,，以及國家半導體公司的 APC 和 EMU 部件,。

　　由 ARM 的 IEM 預測出的總體性能級別通過 IEM 硬件部分的抽象層傳送給 APC。APC 自適應地調(diào)整供電電壓,，以覆蓋內(nèi)核工藝和當時的運行條件,，滿足特定的性能要求。

　　在設計時 IEC 可以配置為連接到片上特別設計的時鐘管理單元（CMU）和 APC 部件,。CMU 負責為處理器提供與所需性能級別相適應的時鐘頻率,。APC 負責管理片外 EMU,，為處理器內(nèi)核提供能滿足所需性能級別的最低電壓，同時還要考慮當前內(nèi)核工藝與溫度狀況,。由 IEC 部件來協(xié)調(diào)管理時鐘頻率與電壓的變化,，以保證任何時候兩者的組合都是有效的，并且不同性能級別之間的轉(zhuǎn)換要順利,，而且在時鐘產(chǎn)生方案與外部 EMU 的限制下轉(zhuǎn)換要盡可能快,。

　　能量管理的最大限度ARM 與國家半導體開發(fā)出了這些先進的能量管理解決方案，可 以協(xié)助 OEM 廠商實現(xiàn)他們的手持式電池供電產(chǎn)品的電池壽命最大化（電池壽命現(xiàn)在是最終用戶真正關心的幾個關鍵要素之一）,。整個解決方案具有部件化的特性,，這意味著該技術可以自我調(diào)整去適應各種性能調(diào)整硬件，包括 DVS 和 AVS,。IEM 預測軟件決定了處理器可以運行的最低性能級別,，同時通過 IEC 的幫助，也確保永遠不會低于軟件的最低界線,。APC 用性能預測與外部 EMU 一起工作，使處理器運行在能保證應用軟件正確運行的最低電壓和頻率下,。在已確定時鐘發(fā)生器,、供電電壓動態(tài)范圍，以及混合應用軟件可用余量等限制條件下,，這一完整的解決方案能將處理器的功耗降低到最低程度,。

　　ARM 智能能量管理技術可以用于降低一個嵌入式處理器的能量需求，最高可達75%,。國家半導體公司的 PowerWise 技術可以減小安全裕度,，并進一步減少能耗，與開環(huán)電壓控制方案相比,，在室溫下使用 AVS 可以再節(jié)省 45% 的能耗,。通過模擬工作與測試芯片顯示，結(jié)合使用 IEM 和 PowerWise 技術可以把智能手機和 PDA 這類產(chǎn)品的總能耗降低 30%,，這對增加電池壽命有相當大的好處,，同時還可以減小產(chǎn)品體積或降低成本。

　　正如前面所說,，在一個典型設計中,，處理器只是許多耗能部件中的一個。當 IEM 和 PowerWise 技術進入實用時,，預計它們將被用于在一片 SoC 中,，用于控制其它器件。