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

　　Blackfin處理器功耗由內(nèi)部功耗、外部功耗和實時鐘功耗組成。內(nèi)部功耗由內(nèi)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(nèi)外設(shè)的使用情況，在不同的應(yīng)用場合，片內(nèi)外設(shè)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(nèi)，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(nèi)核電壓進行調(diào)整，以Blackfin533為例闡述Blackfin系列處理器低功耗設(shè)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(yīng)管)開關(guān)，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(guān)閉狀態(tài)，但是在兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生漏電流，所以開關(guān)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(chǎn)生內(nèi)核時鐘(CCLK)和系統(tǒng)時鐘(SCLK)，通過設(shè)置PLL相關(guān)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(shè)置，CCLK和SCLK對VCO的分頻因子由PLL分頻寄存器(PLL_DIV)設(shè)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(yīng)的時鐘頻率，對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

　　需要注意的是VCO輸出時鐘頻率為50 MHz，輸出頻率為內(nèi)核時鐘CCLK頻率的值。對BlackfinBF533，CCLK值為600 MHz，而BF532／531的CCLK值為400 MHz。所以VCO輸出頻率不應(yīng)超出范圍50MHz～CCLK。

　　通過設(shè)置PLL分頻寄存器PLL_DIV中的CSEL(PLL_DIV的4～5位)確定CCLK，設(shè)置SSEL(PLL_DIV的0～3位)確定SCLK，具體對應(yīng)關(guān)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(shè)置時，需要確定當前CCLK的頻率。

　　假設(shè)外部時鐘輸入CLKIN=27 MHz，將CCLK設(shè)置為594 MHz(27×22)，SCLK設(shè)置為118．8 MHz(594／5)，程序代碼如下

　　2 工作模式轉(zhuǎn)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(guān)系為：全速>激活>睡眠>深度睡眠。不同模式下處理器的內(nèi)核電壓及時鐘設(shè)置不同，如表4所示。所以靈活調(diào)整系統(tǒng)的工作模式可以有效的降低系統(tǒng)的功耗。

　　在轉(zhuǎn)換工作模式時，應(yīng)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(zhuǎn)換之間的聯(lián)系以及轉(zhuǎn)換條件。

　　通過設(shè)置PLL_CTL寄存器實現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換，新的設(shè)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(zhuǎn)換至另一個工作模式的具體過程簡述如下

　　(1)設(shè)置喚醒請求，目的：將處理器喚醒，使PLL_CTL中新的設(shè)置生效以便進入新的工作模式。

　　(2)按模式轉(zhuǎn)換條件，設(shè)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(fù)中斷，PLL_CTL中設(shè)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(chǎn)生1個喚醒請求，即當1個中斷產(chǎn)生時，處理器內(nèi)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(yīng)(中斷)程序。通過系統(tǒng)中斷喚醒使能寄存器(SIC_IWR)設(shè)置中斷與喚醒請求之間的對應(yīng)關(guān)系，其中24～31位保留，其他位分別對應(yīng)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(yīng)中斷發(fā)生時就會產(chǎn)生1個喚醒事件。系統(tǒng)復(fù)位后，SIC_IWR中的所有位均為1。

　　工作模式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵就是對PLL_CTL的設(shè)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(zhuǎn)換條件設(shè)置PLL_CTL寄存器。另外必須設(shè)置喚醒請求，因為它有助于確定處理器何時被喚醒，進入預(yù)期的工作狀態(tài)。

　　下面是一個從全速模式到激活模式轉(zhuǎn)換的實例：

　　對喚醒請求進行設(shè)置，本例中利用看門狗定時器中斷來產(chǎn)生這個喚醒請求。

　　(1)設(shè)置定時器的計數(shù)值：通過看門狗計數(shù)寄存器(WDOG_CNT)設(shè)置。

　　(2)設(shè)置相應(yīng)事件：當定時器計數(shù)至O時產(chǎn)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(chǎn)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。

　　3 片內(nèi)外設(shè)控制

　　系統(tǒng)設(shè)計中不是所有外設(shè)都能用到，而系統(tǒng)具體運行過程中，有些外設(shè)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(shè)來降低系統(tǒng)的功耗。Blackfin535有專門的外設(shè)時鐘寄存器(PLL_IOCK)，統(tǒng)一控制所有外設(shè)的時鐘，禁用某外設(shè)只需要將PLL_IOCK中對應(yīng)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(shè)的控制寄存器來使能或禁用外設(shè)。

　　4 內(nèi)核電壓控制

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

　　VDDEXT為I／O供電電壓，VDDINT為內(nèi)核供電電壓，VROUT為外部FET／BJT驅(qū)動，用于控制開關(guān)頻率。

　　通過調(diào)壓器控制寄存器(VR_CTL)的VLEV(4～7位)來設(shè)置內(nèi)核電壓值，VLEV與電壓值的對應(yīng)關(guān)系，如表5所示。

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