處理器耗電的案例分析

記得有一次，客戶拿著處理器板走進我的辦公室，說它的功耗太大，耗盡了電池電量。由于我們曾驕傲地宣稱該處理器屬于超低功耗器件，因此舉證責任在我們這邊。我準備按照慣例，一個一個地切斷電路板上不同器件的電源，直至找到真正肇事者，這時我想起不久之前的一個類似案例，那個案例的“元兇”是一個獨自掛在供電軌和地之間的LED，沒有限流電阻與之為伍。LED最終失效是因為過流，還是純粹因為它覺得無聊了，我不能完全肯定，不過這是題外話，我們暫且不談。

從經(jīng)驗出發(fā)，我做的第一件事是檢查電路板上有無閃閃發(fā)光的LED。但遺憾的是，這次沒有類似問題的希望曙光。另外，我發(fā)現(xiàn)處理器是板上的唯一器件，沒有其他器件可以讓我歸咎責任?？蛻艚酉聛頀伋龅囊粭l信息讓我的心情更加低落：通過實驗室測試，他發(fā)現(xiàn)功耗和電池壽命處于預期水平，但把系統(tǒng)部署到現(xiàn)場之后，電池電量快速耗盡。此類問題是最難解決的問題，因為這些問題非常難以再現(xiàn)“第一案發(fā)現(xiàn)場”。這就給數(shù)字世界的問題增加了模擬性的無法預測性和挑戰(zhàn)，而數(shù)字世界通常只是可預測的、簡單的1和0的世界。

在最簡單意義上，處理器功耗主要有兩方面：內(nèi)核和I/O。當涉及到抑制內(nèi)核功耗時，我會檢查諸如以下的事情：PLL配置/時鐘速度、內(nèi)核供電軌、內(nèi)核的運算量。有多種辦法可以使內(nèi)核功耗降低，例如：降低內(nèi)核時鐘速度，或執(zhí)行某些指令迫使內(nèi)核停止運行或進入睡眠/休眠狀態(tài)。如果懷疑I/O吞噬了所有功耗，我會關注I/O電源、I/O開關頻率及其驅動的負載。

我能探究的只有這兩個方面。結果是，問題同內(nèi)核方面沒有任何關系，因此必然與I/O有關。這時，客戶表示他使用該處理器純粹是為了計算，I/O活動極少。事實上，器件上的大部分可用I/O接口都沒有得到使用。

“等等!有些I/O您沒有使用。您的意思是這些I/O引腳未使用。您是如何連接它們的?”

“理所當然，我沒有把它們連接到任何地方!”

“原來如此!”

這是一個令人狂喜的時刻，我終于找到了問題所在。雖然沒有沿路尖叫，但我著實花了一會工夫才按捺住興奮之情，然后坐下來向他解釋。

典型CMOS數(shù)字輸入類似下圖：

處理器耗電的案例分析

圖1.典型CMOS輸入電路(左)和CMOS電平邏輯(右)

當以推薦的高(1)或低(0)電平驅動該輸入時，PMOS和NMOS?FET一次導通一個，絕不會同時導通。輸入驅動電壓有一個不確定區(qū)，稱為“閾值區(qū)域”，其中PMOS和NMOS可能同時部分導通，從而在供電軌和地之間產(chǎn)生一個泄漏路徑。當輸入浮空并遇到雜散噪聲時，可能會發(fā)生這種情況。這既解釋了客戶電路板上功耗很高的事實，又解釋了高功耗為什么是隨機發(fā)生的。

處理器耗電的案例分析

圖2.PMOS和NMOS均部分導通，在電源和地之間產(chǎn)生一個泄漏路徑

某些情況下，這可能引起閂鎖之類的狀況，即器件持續(xù)汲取過大電流，最終燒毀。可以說，這個問題較容易發(fā)現(xiàn)和解決，因為眼前的器件正在冒煙，證據(jù)確鑿。我的客戶報告的問題則更難對付，因為當您在實驗室的涼爽環(huán)境下進行測試時，它沒什么問題，但送到現(xiàn)場時，就會引起很大麻煩。

現(xiàn)在我們知道了問題的根源，顯而易見的解決辦法是將所有未使用輸入驅動到有效邏輯電平(高或低)。然而，有一些細微事項需要注意。我們再看幾個CMOS輸入處理不當引起麻煩的情形。我們需要擴大范圍，不僅考慮徹底斷開/浮空的輸入，而且要考慮似乎連接到適當邏輯電平的輸入。

如果只是通過電阻將引腳連接到供電軌或地，應注意所用上拉或下拉電阻的大小。它與引腳的拉/灌電流一起，可能使引腳的實際電壓偏移到非期望電平。換言之，您需要確保上拉或下拉電阻足夠強。

如果選擇以有源方式驅動引腳，務必確保驅動強度對所用的CMOS負載足夠好。若非如此，電路周圍的噪聲可能強到足以超過驅動信號，迫使引腳進入非預期的狀態(tài)。

我們來研究幾種情形：

在實驗室正常工作的處理器，在現(xiàn)場可能莫名重啟，因為噪聲耦合到?jīng)]有足夠強上拉電阻的RESET(復位)線中。

處理器耗電的案例分析