. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jak vybrat vhodný procesor s nízkou spotřebou

Jak vybrat vhodný procesor s nízkou spotřebou

Klíčová kritéria a volby pro výběr vhodného procesoru s nízkou spotřebou do vaší aplikace.

Dosažení nízké spotřeby u CPU dříve obvykle znamenalo obětovat funkčnost, provozovat procesor při sníženém hodinovém kmitočtu nebo čekat na nové techniky zpracování dat, které by snížily spotřebu jak v klidovém, tak v aktivním režimu. Dnes už tomu tak ale není, situace v procesorech se dramaticky změnila. Pokroky v technice zpracování dat spolu s inovacemi v návrzích čipů a pokročilé programové vybavení pro řízení spotřeby vedly ke vzniku zcela nových řad procesorů s nízkou spotřebou, u kterých už návrhář nemusí při návrhu systému obětovat funkčnost. Neexistuje ovšem žádné zařízení, které by mělo „všechny“ vlastnosti, takže inženýři musí obezřetně zvažovat požadavky svých systémů a pak v řadách nově se objevujících procesorů s nízkou spotřebou vybírat ten, který nejlépe vyhovuje požadavkům aplikace.

Článek shrnuje současný stav a uvádí matici pro výběr vhodného prvku. Na jedné ose jsou uvedena následující kritéria, která jsou tím hlavním, co návrháře zajímá:

  • Spotřeba
  • Výkon
  • Integrace
  • Doba do uvedení na trh
  • Cena

Druhá osa udává hlavní varianty procesorů vycházející z jejich funkcí. Článek dále vysvětluje, co obecná kritéria znamenají a jakým způsobem různé typy procesorů dosáhly svého umístění v hodnotící tabulce. Tato informace má dva cíle: 1) upozorňuje systémové návrháře na nejnovější procesory na trhu, z nichž jsou některé relativně nové a s nimiž nemusí být dosud seznámeni, 2) protože se tato nabídka stále rozšiřuje, pomáhá jim zúžit výběr těch nejlepších čipů pro daný návrh.

Prozkoumejte kritéria
Abyste si roztřídili různé prvky s nízkou spotřebou, podívejte se na Tabulku 1, která hlavní typy procesorů s nízkou spotřebou zařazuje podle několika kritérií, která zajímají návrháře. Nejprve si všimněte, že kritéria jsou těsně provázána. Například integrace velkého počtu funkcí na čipu (vícenásobná jádra, analogové funkce, velké paměti nebo velké množství periferií) může snížit celkovou spotřebu systému, cenu a zkrátit dobu do uvedení návrhu na trh. Rozsáhlá integrace takové povahy však může zvýšit nežádoucím způsobem spotřebu a způsobit, že programování je mnohem náročnější, čímž se prodlouží doba uvedení na trh.

Spotřeba – Spotřeba je jedním z nejdůležitějších kritérií pro mnoho dnešních návrhů.U přenosných zařízení je prodloužená životnost baterií velké plus pro uživatele. V infrastrukturních aplikacích znamená nižší spotřeba nižší vyzářené teplo – a “obálky” tepelného vyzařování mohou být omezujícím faktorem pro hustotu kanálů nebo pro přidávání funkcí. Existují také návrhy s omezením příkonu, např. USB zařízení nebo produkty pro trh autopříslušenství, které jsou napájeny z autobaterie a mají pro provoz povolený odběr pouze několik miliwatů.

Na spotřebu je vhodnější se dívat ze systémové perspektivy. Správná skladba periferií na čipu má za následek úsporu spotřeby celého systému, a to nejen z toho důvodu, že prvky mimo čip vyžadují další příkon, ale také proto, že je mnohem energeticky náročnější přenášet data po plošném spoji PC než je přenášet uvnitř jednoho prvku.

Pro jednotlivé prvky začíná energetická účinnost u techniky zpracování dat, která je bezprostředně spojena s energetickou náročností. To je však pouze malá část toho, co pokročilé procesory v tomto ohledu nabízejí. Spotřeba energie může být rozdělena do dvou hlavních režimů: 1) aktivní spotřeba, která je způsobena spínáním tranzistorů a nastává při probíhajícím zpracování dat; 2) statická spotřeba, ke které dochází, je-li zpracováváno pouze omezené množství dat nebo nejsou zpracovávána žádná data a různé části obvodu přecházejí do některého z typů klidového režimu.

Pro řízení aktivní spotřeby je používáno několika technik řízení spotřeby:

  • Dynamické řízení napětí a kmitočtu (DVFS). Při této technice je snižován kmitočet hodin a napětí programovými příkazy podle požadavků, které vyvstaly v průběhu aplikace. Například ARM může na multimediálním procesoru pracovat na kmitočtu 600 MHz, ale takovýto výkon není požadován ve všech případech. Místo toho program může v předdefinovaných bodech prováděných procesů stanovit odpovídající rychlost procesoru.
  • Adaptivní řízení napětí (AVS). Tento přístup vychází ze skutečnosti, že při zpracování křemíku lze produkovat součástky s rozdílnými vlastnostmi; pro daný kmitočet mohou některé prvky (tzv. “horké” obvody) dosáhnout stejné úrovně požadovaných výkonů při nižším napětí než “studené” obvody. Za této situace procesor sleduje úroveň vlastního výkonu a upravuje napájecí napětí tak, aby kompenzoval změny průběhu zpracování dat, změny teploty a degradaci křemíku.
  • Dynamické přepínání spotřeby (DPS). Při tomto přístupu se zjišťuje, zda část obvodu, která ukončila svou úlohu, je v daném okamžiku potřebná, a uvede ji do stavu s nízkou spotřebou. Příkladem takového řízení spotřeby je uvedení procesoru do stavu s nízkou spotřebou v době, kdy čeká na ukončení operace přímého přístupu k paměti.

K řízení spotřeby ve statickém režimu dochází v okamžiku, kdy je zpracováváno omezené množství dat nebo nejsou zpracovávána žádná data, když jsou vybrané prvky uvedeny do režimu s velmi malou spotřebou a v případech, kdy systém čeká na událost vedoucí k přechodu do aktivního režimu. Tento systém je řízen technikou nazývanou řízení statického svodového proudu. Může vést k několika režimům s nízkou spotřebou, od klidového režimu až po úplné vypnutí napájení. Výběr statického režimu závisí na stupni retence paměti a/nebo na tom, jaká je požadovaná doba na rychlé probuzení systému.

Díky těmto vlastnostem se klidová spotřeba u procesorů s nízkou spotřebou udává okolo 15 mW a špičková provozní spotřeba pod 400 mW. Některé procesory pro zpracování digitálních signálů (DSP) (například Texas Instruments TMS320C55x) snižují tyto hodnoty na 0,50 mW v klidovém režimu a 75 mW špičkové spotřeby (i když obsahuje FET koprocesor), až 320 kbyte paměti a v/v periferie.

Většina prvků uvedených v tabulce má implementovány mnohé nebo všechny uvedené funkce pro úsporu energie a dosahují hodnocení “vynikající”. Procesory označené jako “dobré” jsou čipy s nejvyššími výkony, obvykle s vícenásobnými jádry, které přirozeně spotřebovávají poněkud více energie.

Výkon – Toto kritérium je důležité, protože přidaný výkon procesoru často odlišuje koncové produkty tím, že umožňuje využít nové funkce a více kanálů za stejnou cenu nebo na stejné ploše, rychlejší přenos dat a nasazení schémat s větší a kvalitnější kompresí.

Při zohledňování mohou technici dohlédnout za MHz a uvažovat i o paralelizmu. Velkého zvýšení výkonu dosáhly čipy, které integrují DSP, ARM nebo koprocesory v různých obměnách; příkladem je platforma OMAP. Technici tak mohou rozdělit kód a nechat ho běžet na nejvhodnějším jádře. Paralelizmus je výhoda, které můžete dosáhnout dokonce i na zařízení pouze s jedním jádrem. Například jednoduchá CPU s pevnou desetinnou čárkou s nízkou spotřebou DSP TMS320C640x má mimořádný výkon ve zpracování dat díky jednotce s osmi instrukcemi, které běží paralelně na kmitočtu 300 MHz. Při stejně nízkém příkonu nabízí tento prvek dvojnásobný výkon při zpracování dat než ostatní procesory s nízkou spotřebou na trhu.

Kromě integrace prvků pro zpracování dat může vést k podstatnému zlepšení výkonu i integrace ostatních systémových prvků. Například dostatek paměti na čipu znamená, že CPU může zpracovávat kód mnohem rychleji, než kdyby musela častěji importovat a exportovat data.

Bez ohledu na to, jaký systém je vyvíjen (ať už jsou to multimediální aplikace, nebo aplikace, které mají omezené funkce, ale vyžadují co nejmenší spotřebu), si návrháři mohou vybrat procesor, který nabízí přesně takový výkon zpracování, jaký potřebují.

V tabulce je rozsah výkonu od “uspokojivý” až po “vynikající” obvykle funkcí počtu jader a periferií na čipu. Jako obvykle je však vyššího výkonu dosahováno za cenu větší spotřeby.

Integrace – Tento aspekt má evidentně těsnou vazbu na výkon.Jak již bylo zmíněno, některé čipy nabízejí návrhářům některé nebo všechny funkce na jednom čipu: DSP, ARM9 nebo koprocesor. Co se týká integrace, na dnešní čipy se vejdou i další základní systémové prvky. Dobrým příkladem je integrace paměti, která snižuje celkovou cenu systému, snižuje spotřebu systému a usnadňuje vývoj. Některé procesory s nízkou spotřebou obsahují téměř půl megabytu paměti přímo na čipu (např. aplikační procesor TI OMAP-L1x), v mnoha případech je tímto vyloučena potřeba jakékoli vnější paměti.

Dnešní procesory však mohou integrovat mnohem širší rozsah periferií včetně analogových prvků. Nejlepším příkladem je A/D převodník se SAR (registr následné aproximace). SAR je užitečný například při tvorbě rozhraní dotykových displejů v běžných spotřebitelských zařízeních. Dalším příkladem je uPP (univerzální paralelní port), který umožňuje přímé připojení široké škály dalších částí v systémech, jako jsou vysokorychlostní AD převodníky nebo programovatelná hradlová pole (FPGA). Na současných procesorech s nízkou spotřebou můžete také najít podporu pro síťová rozhraní Ethernet MACs, USB 2.0, sériové ATA (SATA) pro velkokapacitní paměti, SDIO pro funkce v/v, např. podpora WLAN, ovladače LCD a rozhraní videoportů.

V tabulce ohodnocení “vynikající” odkazuje na obvody, které mají vícenásobná jádra nebo koprocesor spolu s mnoha periferiemi; ohodnocení “dobrý” je použito pro obvody s jedním jádrem, ale s velkým objemem paměti a s mnoha periferiemi; ohodnocení “uspokojivý” mají obvody, které mají menší počet periferií, ale šetří energii a nejsou tak drahé.

Doba do uvedení na trh – Toto hledisko nabývá stále větší důležitosti, protože rychlost inovací spotřební elektroniky se stále zvyšuje a životní cykly jednotlivých produktů se zkracují z roků na měsíce. Váš nejnovější a nejlepší produkt zůstává v nabídce jen tak dlouho, dokud konkurence o pár měsíců (nebo týdnů) později nepřijde s novou výraznou vlastností, která přitáhne pozornost spotřebitele.

Doba do uvedení na trh má těsnou vazbu na úroveň integrace. Je jasné, že pokud jsou díly na čipu, technici potřebují méně času na vývoj a vyladění, protože není třeba vyvíjet rozhraní a funkce předávání dat, jenž jsou nezbytné pro koordinaci činností několika čipů. Dále je zapotřebí menšího úsilí při řešení propojování plošných spojů a při práci s oddělenými řadiči.

Je-li však na čipu integrováno mnoho jader nebo periferií, technici potřebují vhodné programové nástroje, které jim pomohou manipulovat s jednotlivými prvky. Tak například při kombinaci ARM a DSP umožní dobrý soubor nástrojů vývoj aplikací, které využívají výkon obou jader, avšak uvnitř jednoho programového prostředí. Kromě toho by si měli technici také zjistit, jaké další nástroje nabízejí prodejci procesoru. Jsou to například knihovny algoritmů třetích stran optimalizovaných pro různá jádra, podporu pro nástroje třetích stran (např. Simulink od Matlab nebo LabVIEW od National Instruments), vyhodnocovací/vývojové moduly nebo dokonce různé operační systémy, případně i z otevřených zdrojů. Všechny tyto faktory jsou důležité při zkracování doby vývoje a pro uvedení výrobků na trh včas nebo dokonce ve zkrácené době.

A konečně se nesmí zapomínat na to, že procesory s plovoucí desetinnou čárkou (např. DSP TMS320C674x) jsou snadněji programovatelné. V mnoha případech mohou vývojáři své kódy psát na stolních počítačích pomocí známých nástrojů, jako jsou Simulink a LabVIEW a pak kód přenést na DSP s minimálními změnami, pokud tedy jsou vůbec nějaké zapotřebí. Vcelku je ale možné říci, že čím vyšší je integrace na čipu, tím delší je doba vývoje. U složitějších produktů s důrazem na výkon je nezbytný delší čas pro vývoj a vyladění kódu.

Technici by měli vždy myslet dopředu na příští generaci svých produktů. Na některých trzích jsou standardy nestabilní, ale společnosti vyžadují rychlý nástup na trh. Technici proto musí tvořit produkty “odolné vůči budoucnosti”, produkty, které mohou být modernizovány tak, aby odrážely změny standardů nebo aby jim mohly přibýt nové funkce. Je tedy důležité brát v úvahu celé rodiny procesorů a zkoumat vzájemnou zaměnitelnost, a to jak s ohledem na programové vybavení, tak s ohledem uspořádání pinů pouzdra – budu-li potřebovat vyšší výpočetní výkon, mohu jej později přidat pouze s minimálními změnami celkového systémového návrhu a kódu?

V tabulce je ohodnocení “vynikající” přiřazeno prvkům s širokou podporou technických i programových prostředků. Ohodnocení “dobrý” je přiřazeno prvkům s nižší úrovní integrace, což představuje více periferií nebo paměti mimo obvod a odpovídající úsilí při návrhu.

Cena – Při hodnocení tohoto kritéria by se technici měli dívat za ceny čipů, které samy o sobě klesají takovým způsobem, že většina procesorů s nízkou spotřebou dnes stojí obvykle méně než 15 $ a v závislosti na funkcích mohou ceny klesnout až na 4 $. Zatímco je cena každého prvku ve spotřebitelských aplikacích rozhodující, menší roli hraje v aplikacích pro infrastrukturu a podnikání, kde je více zohledňována cena majetku a účinnost.

Vývojáři by měli zohledňovat celkovou cenu systému. Když se například vrátíme k otázce paměti, může-li běžet celý algoritmus daného produktu na paměti čipu, ušetřili jste jeden nebo dva dolary za paměťové čipy, které teď nepotřebujete. Významných systémových úspor (až 9,00 $) může být dosaženo integračními kombinacemi, např. SATA, Ethernet, paměť, USB 2.0, ARM9 v aplikačních procesorech OMAP-L1X a další vysoce integrované periferie uvedené v části o integraci.

Kromě ceny čipů by technici měli vyhodnocovat také jednoduchost návrhu, což je aspekt, který zahrnuje nástroje z oblasti technických i programových prostředků, technickou podporu, školení, podporu třetích stran, dokumentaci, čas a náklady potřebné na vývoj, režijní a nevratné výdaje. Rozhodujícím faktorem je, že rychlejší vývoj může vést k vyšší kvalitě koncových produktů, protože cenný čas a peníze jsou využity spíše na diferenciaci než na vybudování infrastruktury pro návrh.

Technici by proto neměli brát v úvahu pouze cenu vývojových modulů a emulátorů, ale i jejich kvalitu a to, jak mohou urychlit vývojové projekty. Vysoce kvalitní vývojové prostředí (IDE) a kompilátory poskytují návrhářům lepší vhled do návrhů a mohou zkrátit dobu do uvedení na trh. Hledejte prodejce obvodů, kteří nabízejí operační systémy bez platby licencí, hotové ověřené kódy třetích stran (například kodeky použité v návrzích postavených na DSP) a struktury, které umožňují návrhářům rychle pokračovat v návrzích.

Kromě toho nezapomeňte na cenu návrhu a výroby plošného spoje. Důležitý je nejen počet prvků, ale také jejich rozteč – návrh i výroba zařízení s prvky s malou roztečí jsou na systémové úrovni mnohem nákladnější.

Z tabulky je zřejmé, že cena je nepřímo úměrná počtu jader a periferií na čipu. Čím více takových prvků, tím je evidentně zapotřebí větší úsilí při návrhu a zařízení je dražší, protože je zaměřeno na ty nejkomplikovanější přenosné systémy. Například jediná kategorie, která získala ohodnocení “uspokojivé”, je vysoce výkonný aplikační procesor, který může mít DSP, ARM a koprocesor.

Aplikace s nízkou spotřebou
Dokonce ani s pomocí této tabulky není snadné vybrat ten nejlepší prvek pro danou aplikaci. Vždycky se musejí hledat kompromisy. Stručná diskuze o požadavcích aplikace může však poskytnout alespoň nějaké vodítko. Aplikace, které vyžadují nízkou spotřebu energie se velmi rozšířily, a to pomůže kategorizovat hlavní oblasti:

  • Výrobky, které jsou připojeny k USB nebo jsou z USB napájeny (např. automobilní hands-free soupravy, GPS hardwarový klíč, dotyková obrazovka nebo mikrotelefon)
  • Aplikace, u kterých spotřebitelé předpokládají, že baterie vydrží alespoň celý den (např.bezdrátový mikrofon, hudební přístroje, sluchátka pro potlačení hluku, bezdrátové tiskárny a dokonce i víceparametrová přenosná lékařská zařízení)
  • Aplikace, které umožní životnost baterií alespoň dva týdny (např. hudební přehrávač, e-kniha, zámky s autorizací otiskem prstu nebo jednoparametrová lékařská zařízení)

Dalším způsobem kategorizace aplikací je jejich rozdělení podle funkčnosti. Jedním parametrem je vysoká přesnost v přenosném zařízení, např. hudební nástroj nebo zvukové zařízení, jež vyžaduje velký dynamický rozsah. Tato úroveň přesnosti a dynamického rozsahu obvykle vyžaduje procesor s plovoucí desetinnou čárkou, jako jsou procesory C674x, což jsou DSP s plovoucí desetinnou čárkou s nejnižší spotřebou v oboru, které mají spotřebu od 15 mW.

Nyní zvažme aplikace, které spoléhají na GUI s vysokou funkčností. Zde je dobrou volbou obvod, který nabízí zpracování dat na základě ARM. Díky integraci ARM + DSP na takových prvcích, jako jsou aplikační procesory OMAP-L1x, je k dispozici velká kapacita pro využití GUI a rovněž pro provádění úloh se složitým zpracováním dat.

Potom existují produkty, u kterých spotřebitel vyžaduje dlouhou životnost baterií v přístrojích, mezi něž patří přenosné zvukové záznamníky/přehrávače, e-knihy, přenosný mikrofon nebo dokonce domácí zdravotní monitor, který lze nosit na zápěstí. Procesory zaměřené na režimy s nízkou klidovou spotřebou, např. DSP TMS320C550x, mohou umožnit celé týdny životnosti baterie díky vysokému využití stavů hlubokého spánku (6,8 µW) a klidu (0,5 mW).

Shrnutí
Jak bylo často uváděno v tomto článku, všechny výběrové parametry pro procesory s nízkou spotřebou jsou těsně vzájemně provázány. Vždy bývalo pravidlem, že nejvyšší výkon znamená nejvyšší spotřebu energie – dnes však spotřeba celkově klesla na hodnoty, při kterých můžete najít procesor s nízkou spotřebou pro prakticky každou aplikaci.

O autorovi
John Dixon je ředitel pro výrobní řadu procesorů s nízkou spotřebou. V této roli Dixon řídí marketing a strategické zaměření širokého trhu TI pro platformy procesorů s nízkou spotřebou. Má za sebou šestiletou marketingovou zkušenost ve skupině polovodičů TI. Předtím, než začal pracovat pro TI, byl Dixon zaměstnaný v obchodních i v technických rolích na pozici konzultanta pro mezinárodní vedení a v mnoha technických pozicích v elektronickém výzkumu.







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
Vývojový kit MEGA48X
Levnější varianta univerzálního vývojového kitu s obvodem ATmega48 společnosti ATMEL je vhodná jak pro začátečníky, tak i profesionály.
Skladem od 545 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007