基于多核处理器的电源管理系统的设计与实现
薛志远 王春雷
摘要：针对TI公司TMS320C6678多核处理器的特性要求，提出了一种基于多核处理器的电源管理系统的设计方法。该系统在实现TMS320C6678对各路电源的幅值特性要求以及对所需各路电源时序控制的同时。可以完成内核电压的动态调控。经验证，TMS320C6678处理器在该电源管理系统下工作稳定。
关键词：TMS320C6678；电源管理；时序控制
中图分类号：TJ760；TN86 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2017）02-0077-04
0引言
TMS320C6678是TI公司推出的基于Keystone架构的多核DSP处理器，该处理器内部集成了8个DSP内核，单核主频最高可达1.4 GHz，定点运算能力最高为44.8 GMAC，浮点运算能力最高可达22.4 GFLOPS，同时集成了丰富的高速外设接口以及Cache。其强大的性能使其在军工、航天等方面有着广泛的应用，尤其在面向多核并行计算方向扮演着重要的角色。
高性能不可避免地带来高功耗，在满负荷运行状态下，处理器需要较大的工作电流，普通的电源管理芯片已经不能满足处理器的需要；同时，不同的运算负荷状态下，处理器所需的工作电压也不尽相同，因此根据运算负荷设计一种幅值可调的电源管理系统成为一种趋势。本文设计采用了UCD9222与UCD7242电源管理芯片，芯片输出的动态可调电压可以满足处理内核对供电的需求。
1电源管理总体设计
TMS320C6678内部各模块由于其功能的不同，所需的电压也不尽相同。根据各模块的功能需求，TMS320C6678共需五路电源，分别为CVDD，CVDD1，DVDD18，DVDD15以及VREF。其中VREF通过DVDD15分压产生，故本文将重点讨论CVDD，CVDD1，DVDD18，DVDD15四路电源的设计。各路电源的功能如表1所示。
经过综合评估，设计采用12 V外部供电，整个电源管理系统如图1所示。
对于处理器所需的两路IO电源DVDD18与DVDD15，采用了LTM4620A来产生，输出电压值由LTM4620A反馈调节电阻RFB来配置。
对于TMS320C6678的两路内核电压CVDD与CVDD1，采取了UCD9222+UCD7242的模式。UCD9222为PWM控制器，UCD7242受UCD9222的PWM所控，可以产生两路最大电流为10 A的输出电压，符合设计需要。
1.1上电时序要求
为了能使TMS320C6678正常启动，必须严格遵守其上电时序。处理器的上电分为两个阶段，分别为电源上电阶段和复位阶段。其中复位阶段所需要的三个复位信号RESET，PORESET与FULLRE-SET的时序由可编程逻辑器件来产生，不在本文的讨论范围内，因此不再赘述。
电源上电阶段用来产生处理器所需四路电源的上电时序。TMS320C6678共有两种上电模式，分别为内核先于10上电和10先于内核上电。其中内核先于10上电的顺序依次为CVDD，CVDD1，DVDD18，DVDD15；而IO先于内核上电的顺序依次为DVDD18，CVDD，CVDD1，DVDD15。本文设计采用了10先于内核上电的模式，如图2所示。
1.2SmartReflex电源管理
TMS320C6678由于器件的复杂性，其功耗也随之增加。处理器的功耗主要由动态功耗和静态功耗两部分组成。处理器在内部晶体管结构变小使其性能变高的同时，也带来了较大的漏电电流，静态功耗也随之变大，因此静态功耗主要取决于晶体管的结构以及工艺水平，对于用户来说是没办法降低的。动态电流功耗取决于时钟频率的快慢，晶体管翻转越快，动态功耗越大。
为了能在保证TMS320C6678性能的前提下同时降低处理器的静态功耗和动态功耗，TI公司开发了SmartReflex技术。该技术能使TMS320C6678在运行过程中对其内核电压随时调整，当运行频率较高时，适当提高内核工作电压；当运行频率较低时，降低内核工作电压。通过这种方式来降低处理器的功耗。
一般情况下，当工作频率在1 000 MHz或1 250MHz时，CVDD的初始电压为1.1 V。
2硬件电路设计
2.1处理器IO电源设计
处理器的两路IO电源由LTM4620A来产生，而DDR3的参考电压由TPS51200来产生。
单个LTM4620A器件能够产生两路电源输出，每路輸出电源均可调节，调节方式为对VFB引脚外接对地下拉电阻进行配置，不同阻值的下拉电阻将产生不同的输出电压。具体计算公式为
式中：RFB为VFB引脚的对地下拉电阻。
另外，LTM4620A的RUN引脚提供了对两路输出电源的开关控制，RUN为低则关断，为高则开启。因此通过可编程逻辑器件产生RUN信号，可以实现对两路电源输出的时序控制。相对应的电源上电完成后，便会输出上电完成信号PGOOD，如图3所示。
TPS51200是TI公司一种专门的DDR终端电压调节器，因此DDR3的参考电压VREF采用TPS51200来产生，输入电压为DDR3的IO电压DVDD15。
2.2处理器内核电源设计
处理器的两路内核电源CVDD与CVDD1通过UCD9222与UCD7242器件来共同产生。
UCD9222为数字PWM波形控制芯片，符合PMBus1.2标准，开关频率最高可达2 MHz，可以同时控制两路PWM输出。UCD9222本身不提供电源转化功能，只提供PWM控制波形。为了实现数字电源的电压转换，UCD9222必须外接电源转换芯片。UCD7242为电源转换芯片的一种，通过接收UCD9222发送的PWM控制信号来产生两路输出电压。两种电源芯片共同产生输出电压的连接关系如图4所示。
由图4可以看出，UCD9222与UCD7242之间有4对管脚相连，分别是DPWM，FLT，CS，EAP/EAN。其中FLT和CS分别为电压监控和电流监控引脚，一旦电压或者电流超过设定值，UCD9222便会通过DPWM输出命令到UCD7242，对其电源进行关断，起到保护电路的作用；如果电压或者电流低于设定值，UCD9222将提高PWM的占空比，以便提供更大的功率，确保负载电压不降低，保证系统正常工作。
处理器TMS320C6678通过4个VID端口向UCD9222进行运算量的反馈。当处理器运算量较小时，将会产生较小电压所对应的VID值，并将此VID值发送给UCD9222來产生相对应的PWM，对UCD7242输出电压值进行控制；反之亦然。
与LTM4620A相同，UCD9222同样提供了各路电源的使能信号EN和上电完成信号PGOOD，用来实现对各路电源进行时序控制。
3软件设计
UCD9222在正式使用之前，需要对控制参数进行编程固化。编程固化的方式有两种，一种编程方式较为复杂，是将控制参数借助外部可编程逻辑器件写入到UCD9222中；另一种是借助Fusion DigitalPower Designer软件通过PMBus总线将参数写入到UCD9222中。
Fusion Digital Power Designer是TI公司专门为UCD92xx系列芯片开发的控制软件，通过软件可以方便地对UCD9222芯片进行配置以及对各路输出电源进行监控。该软件通过PMBus协议与UCD9222进行通信，所使用的工具为USB-To-GPIO烧写工具。
在本文设计中，软件对UCD9222的两路电源轨道（power rail）进行了配置，其中Rail#1为CVDD，Rail#2为CVDD1，如图5所示。两路电源轨道的峰值均设置为1v，但是Rail#2比Rail#1延时0.5 ms上电。在该软件中，电源的峰值、延时时间以及摆动范围都是可以配置的。系统上电后，软件对Rail#2电源的监控过程如图6所示。
4仿真结果
完成对TMS320C6678的10电源与内核电源设计以及系统上电后，本文设计的系统仿真结果见图7。四路电源从上往下依次为DVDD18，CVDD，CVDD1以及DVDD15。其中，DVDD18与CVDD时间间隔为21.4 ms，CVDD与CVDD1时间间隔为5 ms，CVDD1与DVDD15时间间隔为46.4 ms。通过仿真结果可以看出，本文设计的系统完全符合TMS320C6678对上电时序的要求。
5结论
针对TMS320C6678多核处理器提供了一种电源管理系统的设计方法，仿真验证表明，所设计的电源管理系统工作稳定、可靠性高。同时，该设计具备良好的通用性，可以移植到其他基于TMS320C66xx系列芯片的平台中。
