低功耗CPU简介

现在计算机CPU的运行速度越来越快，同时CPU消耗的功率也越来越大，随之而来的发热量也越来越高，最新的Intel P4 CPU的功耗已经超过了100W。系统的散热性能成为了影响系统稳定性的一个重要指标，如果系统散热性能不好，就会影响整个系统得稳定性。我们经常会遇到因为CPU散热风扇停止工作而造成系统崩溃。在很多工业控制领域，对系统的稳定性要求很高，但并不需要特别强大的CPU计算能力。低功耗CPU在这方面很符合工控系统的要求，因为这些CPU在提供必要的计算能力的同时发热量很小，只需合适的散热片就可以正常工作，不用使用风扇主动散热，减少了故障发生的几率，大大提高了系统的稳定性。在普通应用中，我们使用的CPU主要为Intel和AMD，而在低功耗CPU方面，工控领域使用最多的是Intel、Transmate、VIA的CPU，下面就这几家的低功耗CPU作简要的介绍。 一、Intel 　　Intel作为全球第一大CPU生产厂商，在工控领域较为常见的低功耗CPU是ULV Celeron400/650。 　　ULV Cerlon采用x86架构，和普通的Celeron处理器类似，拥有256K二级高速缓存，但其核心电压比普通Celeron低的多。其中ULV Celeron 650M为1.1V，ULV Celeron 400的核心电压更是低至0.95V，因此发热量很小。同时在处理器的能源管理上和普通Celeron不同，其把处理器分为六种工作状态：Normal，Auto Halt，Quick Start，HALT/Grant Snoop和Deep Sleep。以下为CPU在不同状态之间的转换示意图: 　　Auto halt状态使得处理器在空闲时，通过软件发送HLT指令，使CPU关闭空闲的时钟；当计算机进入休眠状态时，CPU启动QuickStart模式，消耗很少的电力，计算机一旦被唤醒，马上转入Normal模式；而在Deep Sleep模式下，CPU部分单元的供电完全被切断，消耗极少的电力。通过在不同模式之间的转换，使CPU在不同的工作状态下能达到最佳的性能/能耗比。下表为ULV Celeron在不同状态下的功耗： 二、Transmate 　　作为一家专注于低功耗CPU的研发和生产的CPU厂商，对于大家来说可能比较陌生。而其推出的CPU更是很多人都闻所未闻的产品。Transmate的CPU现在有两个系列：强调性能并注重节电性的Efficeon；强调低功耗的Crusoe。工控中主要使用Crusoe系列CPU—TM5800。TM5800是兼容x86的全新架构的微处理器，采用了0.13微米的制作工艺，具有512KB的二级高速缓存，而且工作电压非常低，仅为0.9-1.3V，采用硬件和软件混合的结构，将处理器的很多功能交由软件来处理。既满足满载时对性能的需求，又可控制CPU空载时的能量消耗。下图为Crusoe CPU系统架构： 　　Transmate处理器的核心架构与传统x86相比是相当简单的。与传统处理器的硬件执行逻辑、运算、移位和浮点指令单元不同，Transmate采用了与众不同的设计理念。它采用代码融合技术来帮助处理器执行x86指令。基于这样的思路，制造Transmate CPU的晶体管数目大大减少，因此具有低功耗和低发热量的特点，代码融合软件还可以通过硬件进一步调节处理器的功耗。同时它采用独有的Longrun节能技术，持续不断地监视CPU的工作，动态地改变CPU的核心电压和运行频率 ，一旦运行的条件改变就立即动态交换这些信息，然后找出合适的工作的最低频率/电压点来代替刚才的工作频率/电压点，使处理器不会消耗无谓的功率，满足移动设备长时间工作的需要。TM5800 CPU还整合了北桥控制芯片，这样不但可以减少构成完整系统所需的芯片数目，而且可以减少耗电量，最重要的是可以减少最终产品的尺寸和成本。 下表为TM5800在不同状态下的功耗： 三、VIA 　　自从1996年VIA收购了Cyrix公司后，VIA便成了一家可以从主板、显示芯片和处理器提供整体解决方案的公司。在桌面市场，VIA生产的CPU无法和Intel、AMD的CPU竞争。因此VIA的CPU专注于嵌入式系统、便携式设备的应用。 　　VIA的低功耗CPU就是它的EDEN系列。EDEN系列CPU分为EDEN-N、EDEN-ESP两种。我们最常用的是EDEN-ESP（Embedded System Platform Processor）处理器， VIA Eden ESP 3000 (4.5 x 66-MHz bus) 1.05V VIA Eden ESP 4000 (4.0 x 100-MHz bus) 1.05V VIA Eden ESP 5000 (4.0 x 133-MHz bus) 1.20V VIA Eden ESP 6000 (4.5 x 133-MHz bus) 1.20V VIA Eden ESP 6000 (5.0 x 133-MHz bus) 1.05V VIA Eden ESP 7000 (5.5 x 133-MHz bus) 1.05V VIA Eden ESP 8000 (6.0 x 133-MHz bus) 1.05V VIA Eden ESP 10000 (7.5 x 133-MHz bus) 1.05V VIA Eden ESP 10000 (5.0 x 200-MHz bus) 1.05V 　　ESP系列CPU工作电压为1.05V，和Intel ULV Celeron一样采用x86架构，采用VIA全新Nehemiah核心，具有一些新的特性：PadLock数据加密引擎、先进的CoolStream架构、StepAhead™ 先进的分支预测功能。CPU内集成64K二级高速缓存，支持MMX、SSE、3DNOW！多媒体指令集。 　　PadLock数据加密引擎(Data Encryption Engine)使VIA ESP系列CPU成为市场上第一个内建嵌入式资料保护功能的x86处理器，能有效加强保护企业机密以及个人资料的安全。使得机密的资料无论是保存在计算机里、或者是透过局域网和因特网传输时，都能拥有值得信赖的安全保护；同时，PadLock也将使得许多专业的资料保全应用系统更加强大，包括更理想的高负载信息编密系统、以及更安全的线上交易机制等等。 PadLock的核心为一组高端的随机数值生成器(Random Number Generator)，利用芯片上的无规律的电子杂讯，计算出对应资料本身的随机数值作为加密编码之用；而产品研发人员则可藉由新的X86指令，直接由硬件取得这些随机数值，无须透过软件的驱动程序，这种纯硬件的设计，比过去软硬件组合的资料加密架构更有效率、更可靠。另外，PadLock也支持多种运作模式，提供由每秒钟750K位元至6百万位元不等的各种效能。 　　新的处理核心具备先进的CoolStream处理器架构，即可提供充沛的运算动力，同时保持超低功率消耗和低发热量等特色。而搭配VIA Apollo CLE266系统芯片组、在主流应用软件上则有20%的效能提升，至于在3D图形的程序中，效能提升的程度甚至可达到73%。下表为ESP 7000（5.5 x 133-MHz bus）在不同工作状态下的功耗： 　　以上这些处理器在工控领域得到了广泛运用，主要使用在一些Fanless（无风扇）主板上。一方面提供强大的运算能力，另一方面又具有很好的稳定性。现在低功耗CPU中又有了一些新的产品，提供更为强大的性能，比如Intel Pentium M系列、AMD的Geode NX系列。研扬公司有一系列这样的产品：GENE-6310（EDEN667）、GENE-6350（ULV Celeron）、PCM-8200（Pentium M）。用户在实际应用中，都可以从这些产品中找到合适自己应用的产品。 注：GENE-6330（Transmate TM5800）即将Phase out