La scelta giusta per applicazioni a basso consumo

DIGITAL SIGNAL PROCESSOR –

La scelta di un processore non è sempre semplice e diretta e dipende essenzialmente dalla funzionalità del prodotto finale. Alcuni criteri possono però aiutare i progettisti nella scelta del processore a basso consumo più adatto alle loro esigenze.

I progressi della tecnologia di processo hanno favorito lo sviluppo di processori a basso consumo che non richiedono più di implementare limitazioni a livello di sistema quali la riduzione delle funzioni o delle velocità di clock. Ovviamente non esiste un processore "universale" adatto per ogni esigenza, quindi i progettisti devono selezionare accuratamente il processore più adeguato ai requisiti delle loro applicazioni. Per la scelta di un processore a basso consumo occorre considerare alcuni criteri specifici di progettazione quali il consumo, le prestazioni, l'integrazione, il tempo di sviluppo e il prezzo.

Il consumo
Il consumo energetico è una delle considerazioni più importanti ai fini della progettazione di un sistema. Per ottenere un risparmio di corrente a livello di sistema occorre integrare sul dispositivo una giusta combinazione di periferiche, non solo perché i dispositivi esterni consumano di più ma anche perché è necessaria più potenza per la trasmissione dei dati tra più schede che non all'interno del dispositivo stesso. Esistono due modalità di consumo: il consumo attivo e il consumo statico. Per la gestione del consumo attivo vengono utilizzate diverse tecniche, quali ad esempio il Dvfs (Dynamic Voltage and Frequency Scaling), l'Avs (Adaptive Voltage Scaling) e il Dps (Dynamic Power Switching). Il consumo statico viene invece gestito tramite un procedimento di "gestione statica delle correnti di perdita" che può includere diverse modalità di basso consumo, dallo stand-by fino al disinserimento completo dell'alimentazione. Grazie a queste funzionalità di risparmio, la maggior parte dei processori a basso consumo presenta consumi nell'ordine dei 15 mW in stand-by e inferiori a 400 mW a pieno esercizio. Alcuni processori di segnale digitale a virgola fissa, quali i Dsp TMS320C55x di Texas Instruments, sono in grado di ridurre ulteriormente i consumi (0,50 mW in stand-by, 75 mW di corrente di picco) pur essendo dotati di un coprocessore Fft con memoria fino a 320 KB e di periferiche di I/O. Molti dei processori disponibili implementano parecchie, se non tutte, queste funzionalità di risparmio energetico e sono classificati come low power "eccellenti". I processori definiti "buoni" sono quelli dotati dei chip a massimo rendimento con core multipli, che chiaramente assorbono più corrente.

Le prestazioni
L'elaborazione parallela è una considerazione importante ai fini delle prestazioni. L'uso di chip che integrano un processore Dsp o Arm o un coprocessore, come ad esempio nella piattaforma Omap di TI, consente di aumentare le prestazioni. Anche utilizzando dispositivi a core singolo, come i Dsp a virgola mobile TMS320C640x a basso consumo, è possibile usufruire dei vantaggi dell'elaborazione parallela. La Cpu singola di questi Dsp fornisce infatti una potenza di calcolo doppia rispetto ad altri processori a basso consumo grazie ad otto unità di gestione delle istruzioni che sono gestite in parallelo a 300 MHz. Un altro metodo per aumentare sensibilmente le prestazioni consiste nell'integrare ulteriori funzionalità di sistema. In questo modo aumenta la memoria on-chip e la Cpu può eseguire il codice molto più velocemente. L'aspetto interessante è che i progettisti possono scegliere un processore ottimizzando la potenza di calcolo richiesta per le loro applicazioni. Le valutazioni delle prestazioni di un processore vanno da “sufficiente” a “eccellente”. In generale, le prestazioni variano in funzione del numero di core e delle periferiche integrate sul chip. Non sorprende quindi che un miglior livello di prestazioni comporti un maggior consumo di corrente.

L'integrazione
L'integrazione è strettamente correlata alle prestazioni. Alcuni chip offrono non solo un processore Dsp o ARM9 e un coprocessore ma anche altri componenti di sistema essenziali quali una memoria integrata. Ciò consente di ridurre il costo totale e il consumo energetico a livello di sistema e di semplificare lo sviluppo. Alcuni processori a basso consumo, come ad esempio gli Omap-L1x di TI, dispongono di una memoria integrata di quasi mezzo megabyte, che permette di rinunciare a una memoria esterna. È anche possibile integrare una gamma molto più ampia di periferiche, inclusi i componenti analogici, come ad esempio convertitori A/D ad approssimazioni successive o porte parallele universali. Sono inoltre disponibili il supporto on-chip per il networking con Ethernet Mac, Usb 2.0 o Serial Ata per storage di massa, SDIO per funzioni di I/O (supporto Wlan), controller Lcd e interfacce con porta video. I dispositivi con una valutazione "eccellente" hanno core multipli o un coprocessore e diverse periferiche. Quelli con una valutazione "buona" hanno un core singolo e elevate quantità di memoria e periferiche, mentre quelli con una valutazione "sufficiente" hanno meno periferiche ma usano anche meno corrente e sono meno costosi.

Il tempo di sviluppo
Il crescente livello d'innovazione e i cicli di vita sempre più corti dei prodotti hanno reso il tempo di sviluppo un fattore sempre più importante. Il tempo di sviluppo è strettamente correlato al livello d'integrazione: i componenti integrati sul chip comportano infatti un minor tempo di sviluppo e di debugging. Per gestire i componenti integrati è però essenziale utilizzare strumenti software appropriati.
Per ridurre ulteriormente i tempi di sviluppo è opportuno considerare anche altri strumenti offerti dai produttori di processori, quali ad esempio librerie di algoritmi di fornitori esterni, supporto per strumenti di fornitori partner quali Simulink di Matlab o LabView di National Instruments, schede di valutazione/sviluppo e anche diversi sistemi operativi. In generale, le prestazioni di un chip sono direttamente proporzionali ai tempi di sviluppo. I dispositivi a virgola mobile, quali i Dsp TMS320C674x di TI, sono tuttavia meno complessi da programmare. Con questi dispositivi è possibile scrivere il codice su un Pc con un tool convenzionale (ad esempio Simulink e LabView) e poi trasferirlo sul Dsp con poche e semplici modifiche. La capacità di aggiornare i prodotti al variare degli standard o di aggiungere nuove funzionalità in un secondo tempo è ormai essenziale. È quindi importante valutare l'intercompatibilità dei processori, sia in termini di software che di compatibilità pin-to-pin.

Il prezzo
I costi totali del sistema sono più importanti rispetto ai prezzi dei chip. Ad esempio è possibile ottenere un risparmio considerevole (fino a 9 dollari) a livello di sistema integrando combinazioni di opzioni quali Sata, Ethernet, memoria, Usb 2.0 e Arm9, tutte disponibili nei processori Omap-L1X di TI. Oltre al prezzo, i progettisti dovrebbero valutare anche la semplicità di sviluppo. Uno sviluppo più veloce può significare prodotti di qualità maggiore in quanto è possibile dedicare più tempo e risorse alla differenziazione dei prodotti stessi piuttosto che alla creazione dell'infrastruttura di progettazione. La qualità delle schede di sviluppo e degli emulatori e la loro capacità di velocizzare i tempi di sviluppo sono più importanti del prezzo, in quanto i dispositivi di alta qualità possono notevolmente ridurre il time-to-market. È consigliabile privilegiare funzionalità che consentano di semplificare il processo di progettazione, quali ad esempio sistemi operativi royalty-free e codice di fornitori partner verificato e liberamente disponibile, come i codec utilizzati nei progetti basati su Dsp. La Tab. 1 contiene le valutazioni sui prezzi dei singoli dispositivi. In linea di massima, la valutazione del prezzo è inversamente proporzionale al numero di core e di periferiche integrate sul chip.

Scelta del processore a basso consumo
I criteri per la selezione di un processore a basso consumo sono strettamente correlati tra loro. La scelta di un processore non è sempre così semplice e diretta e dipende essenzialmente dalla funzionalità del prodotto finale. Ad esempio, i dispositivi portatili quali i prodotti musicali/audio richiedono un elevato livello di precisione/range dinamico che può essere garantito da processori a virgola mobile quali i C674x di Ti (con consumi a partire da 15 mW). Per applicazioni basate su un'interfaccia Gui ricca di funzioni è invece consigliabile utilizzare dispositivi quali i processori Omap-L1x di TI, che offrono l'integrazione di processori Arm e Dsp. I prodotti che richiedono una lunga durata delle batterie, quali ad es. i dispositivi portatili, possono beneficiare di processori con un basso consumo in stand-by quali i Dsp TMS320C550x di TI, che permettono di utilizzare la batteria per settimane grazie a una gestione ottimale degli stati di inutilizzo (6,8 µW) e di stand-by (0,5 mW).

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