CPU不同模式的整机功耗
一 概述
X2000 是北京君正公司为智能物联网市场推出的新一代 SoC 产品。该产品 有诸多亮点，比如 XBurst 2 的首次亮相、双 XBurst 2+ XBurst 0 的三核异构布局、 符合 IEEE1588-2002 标准的千兆网口、三个摄像头接入能力、君正低功耗技术 的继承和发展，等等。这些产品亮点均值得广大用户不断挖掘、创新应用。
X2000 体现了北京君正丰富的低功耗技术的新高度。这包括 CPU 架构的低 功耗优势、关键 IP 核的低功耗设计、业界先进的 SoC 电源与时钟规划三个层次。 28nm 制程工艺的采用，更将 X2000 的功耗推到了“新低度”。 本文专门就 X2000 的低功耗能力进行梳理。
二 X2000 的典型功耗
X2000 整个 SoC（含 128MB LPDDR3）的典型工作功耗<380mW。
三 低功耗的 XBurst 2 CPU
北京君正是最早推出国产 CPU 的技术公司之一，其 CPU 内核基于 MIPS 架构，已经迭代了三代。XBurst 2 是君正 CPU 的最新版本。X2000 的 CPU 内 核采用“双 XBurst 2+ XBurst 0”的三核布局。根据嵌入式典型应用场景测试结果，XBurst 2 内核算力相当于 Arm Cortex A53 的 1.3 倍，而典型功耗仅相当于其一半。
XBurst 2 的典型功耗较低得益于两个方面：
MIPS 架构的优势
XBurst 2 基于 MIPS32 ISA R5 和 MIPS SIMD ISA:MSA 128，并且扩展了君正 SIMD ISA:MXA128。这种架构确保了该 CPU 内核在实现高性能的同时， 继续保持低功耗特色。
君正自研 CPU 内核的优势
君正 CPU 内核 XBurst 采用了 MIPS 的指令集授权，微结构实现完全自主设计。这使得 XBurst 内核除了获得“完全自主可控”这一优势之外，还确保电路
设计可以持续优化，积累了大量的技术经验来降低动态和静态功耗水平，这包括：
降低电压
动态管理、降低翻转率
降低电容
各种降低漏电的措施
四 君正自研主要 IP 核的低功耗
除了 XBurst 2 以外，X2000 采用了君正自研的 VPU、ISP，这些 IP 核也体 现了君正的低功耗特色。
VPU 典型工作场景功耗
H.264 解码：720P@30fps，~34mW
H.264 编码：720P@30fps, ~42mW
ISP 典型工作场景功耗
单 ISP，1080P@30fps，~102mW
五 X2000 芯片级节能技术
多电源域设计
众所周知，芯片的功耗（包括动态功耗和漏电功耗）与供电电源的平方成正
比，因此降低芯片的供电是特别有效的降耗措施。但是供电电源下降会导致逻辑
门的翻转变慢，因此要特别仔细分析哪些部分电路可以降低电压而不影响正常工
作。业界成熟的做法是划分电源域，为芯片中不同的功能模块提供不同电压的供
电。
X2000 设计了 4 个电源域：0.9V、1.2V、1.8V 和 3.3V。X2000 的 CPU 内
核和主要的数字逻辑都工作在 0.9V 电源域，这是 X2000 低功耗的重要保障。
在特定的应用场景下， X2000 的 0.9V 供电可以降低至 0.8V(配合适当降低
XBurst 工作主频)。当然，这种使用需要特别注意统筹算力要求、工作频率和电
源电压的配合。
时钟关断(Clock Gating)
SoC 的动态功耗的重要组成部分是时钟。在某些模块不需要工作的时候， 关掉该部分的时钟是重要的降低功耗的手段，表 1 示出了 X2000 可以独立关断 时钟的模块。
电源关断(Power Gating)
X2000 在重点模块上设计了电源关断逻辑,开发者在不需要这些模块工作 的场景下,可以关断这些模块的电源。
六 X2000 芯片的各种运行模式
X2000 可以工作于多种状态,在不同的状态下,开发者可以采取适当的措 施降低芯片功耗。
6.1 正常工作状态(NORMAL)
X2000 处于正常工作状态时,各部分均可处于工作状态。 如图 2 示出正常工作状态下,X2000 各模块的电源和时钟状态。
【节能措施】
CPU 内核可以降电压、降频使用,比如到 0.8V/600MHz;
LPDDR 可以降频使用;
HELIX、FELIX、ISP0、ISP1 若没有任务,可以关断电源;
表 1 中示出的各模块若没有任务,可以关断时钟;
注意外围电路的配合,防止漏电。
【 X2000 典型功耗】
< 380mW (X2000 SoC 总功耗水平,含 128MB LPDDR3)
(注:正常工作状态下,功耗差异很大,跟工作任务有关,比如千兆网双口 全开、VPU 全速编码、浮点运算等场景下,功耗可能接近 1.0W。) 【恢复正常工作时间】
0。
6.2 空闲状态（IDLE）
XBurst 2 进入空闲状态, 时钟可以关闭。 如图 3 示出，在空闲状态下，X2000 各模块的电源和时钟的典型状态。
【节能措施】
HELIX、FELIX、ISP0、ISP1 若没有任务，可以关断电源；
表 1 中示出的各模块若没有任务，可以关断时钟；
注意外围电路的配合，防止漏电。
【X2000 典型功耗】
< 200mW。（X2000 SoC 总功耗水平，含 128MB LPDDR3）
(注：空闲状态下，功耗差异很大，跟 VPU、ISP 工作任务有关。)
【恢复正常工作时间】
0。
6.3 空闲-断电状态（IDLE-PD）
XBurst 2 的时钟、电源关闭，进入空闲-断电状态。
如图 4 示出，在空闲-断电状态下，X2000 各模块的电源和时钟状态。
【节能措施】
HELIX、FELIX、ISP0、ISP1 若没有任务，可以关断电源；
表 1 中示出的各模块若没有任务，可以关断时钟；
注意外围电路的配合，防止漏电。
【X2000 典型功耗】
< 180mW。（X2000 SoC 总功耗水平，含 128MB LPDDR3）
(注：空闲状态下，功耗差异很大，跟 VPU、ISP 工作任务有关。)
【恢复正常工作时间】
< 0.5ms。
6.4 睡眠状态（SLEEP）
在休眠状态下，X2000 的各模块尽量多地关闭时钟，尽量多地关闭电源， 但是操作系统仍然驻留在 LPDDR 内。
如图 5 示出，在睡眠状态下，X2000 各模块的电源和时钟状态。
【节能措施】
AUDIO、USB、GMAC0~1 若没有唤醒任务,可以关断时钟;
注意外围电路的配合,防止漏电。
【X2000 典型功耗】
< 4mW。 (X2000 SoC 总功耗水平,含 128MB LPDDR3)
【恢复正常工作时间】
< 10ms。
6.5 休眠状态（HIBERNATE）
在休眠状态下，X2000 将仅保持 RTC 供电，其他资源均关电源、关时钟。 如图 7 示出，在休眠状态下，X2000 各模块的电源和时钟状态。
【节能措施】
注意外围电路的配合，防止漏电。
【X2000 典型功耗】
< 20µW。（X2000 SoC 总功耗水平，含 128MB LPDDR3）
【恢复正常工作时间】
< 100ms。
七 结语
X2000 作为北京君正 SoC 产品的新高度，对芯片低功耗做了从架构到电路、 从 IP 核到 SoC 集成、从硬件到软件的全方位设计，节能降耗技术基础扎实，结 合应用因地适宜地进行降耗设计的手段丰富，处处体现了精心设计、匠心独运、 追求极致的精品设计理念。 丰富灵活的节能降耗技术手段，结合实际的应用场景灵活变通的运用，广大 开发人员一定可以基于 X2000 做出出色的低功耗解决方案。
八 具体测试数据
详细功耗数据见：