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動(dòng)態(tài)時(shí)鐘配置下的SoC低功耗管理
摘要：隨著芯片集成度的提高，對(duì)一些功能復(fù)雜的系統(tǒng)芯片功耗的管理，已經(jīng)引起大家越來越多的重視，如何控制好SoC的功耗將成為芯片能否成功的重要因素。本文提出一種通過動(dòng)態(tài)管理時(shí)鐘的策略，達(dá)到降低整個(gè)SoC芯片功耗的目的；同時(shí)，分析動(dòng)態(tài)管理時(shí)鐘方案中可能會(huì)出現(xiàn)的一些問題，并給出解決方案。
關(guān)鍵詞：系統(tǒng)芯片 毛刺 AMBA 總線 時(shí)滯
引 言
隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展和對(duì)消費(fèi)類電子產(chǎn)品--特別是便攜式（移動(dòng)）面向客戶的電子產(chǎn)品的需求，推動(dòng)了SoC（System on Chip）的飛速發(fā)展，也給人們提出了許多新的課題[1]。對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的SoC芯片，已不能再只考慮它優(yōu)化空間的兩個(gè)方面--速度（performance）和面積（cost），而必須要注意它已經(jīng)表現(xiàn)出來的且變得越來越重要的第三個(gè)方面--功耗[1]，這樣才能延長電池的壽命和電子產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間。
SoC中CMOS電路功耗有：一是靜態(tài)功耗，主要是由靜電流、漏電流等因素造成的；二是動(dòng)態(tài)功耗，主要是由電路中信號(hào)變換時(shí)造成的瞬態(tài)開路電流（crowbar current）和負(fù)載電流（load current）等因素造成的[2]，它是SoC芯片中功耗的主要來源[3]。因此，解決好SoC中的動(dòng)態(tài)功耗是降低整個(gè)SoC芯片功耗的關(guān)鍵。本文后面所提到的功耗就是指SoC芯片中的動(dòng)態(tài)功耗。
如何降低SoC中的功耗，從不同的層面分析會(huì)得出不同的解決方案。從芯片的系統(tǒng)級(jí)（architecture）角度考慮，有低功耗總線設(shè)計(jì)、低功耗存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低功耗時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、開發(fā)系統(tǒng)的休息模式、時(shí)鐘門控等技術(shù)；從芯片的行為級(jí)（RTL）角度考慮，有信號(hào)門控、預(yù)前計(jì)算、操作數(shù)分離、狀態(tài)機(jī)優(yōu)化、并行和流水結(jié)構(gòu)等技術(shù)；從芯片的門級(jí)（gate）角度考慮，有緩沖插入、提取因子、單元縮放、管腳交換、相位配置等技術(shù)[4]。從越高的抽象層次去考慮功耗問題，芯片功耗優(yōu)化的幅度就越顯著。
本文所提出的基于動(dòng)態(tài)配置時(shí)鐘的SoC低功耗管理是從芯片的系統(tǒng)級(jí)角度考慮的。在zui后的實(shí)驗(yàn)中，它非常明顯地降低了整個(gè)芯片的功耗。
1 動(dòng)態(tài)配置時(shí)鐘的SoC低功耗管理原理
基于微處理器應(yīng)用的SoC設(shè)計(jì)，其復(fù)雜程度變化很大：在一些應(yīng)用中可能需要用到所有的硬件資源，但是在其它的一些應(yīng)用中可能只需要用到其中一部分硬件資源；在一些應(yīng)用中可能需要很高的工作頻率，而在其它的一些應(yīng)用中卻可以大大降低工作頻率。動(dòng)態(tài)管理SoC系統(tǒng)時(shí)鐘的思想就是：不僅動(dòng)態(tài)地管理SoC內(nèi)部模塊的時(shí)鐘源供給，還可以動(dòng)態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。
動(dòng)態(tài)地管理SoC內(nèi)部模塊的時(shí)鐘源供給就是，根據(jù)不同的應(yīng)用，管理SoC內(nèi)部的硬件資源。簡而言之，就是進(jìn)行內(nèi)部模塊的開和關(guān)的操作。關(guān)閉單個(gè)模塊，可以通過對(duì)每個(gè)模塊設(shè)置一個(gè)使能位，然后對(duì)這個(gè)使能位編程做到關(guān)閉或打開那個(gè)模塊。但這樣做不是*的，原因有二：其一，每個(gè)模塊的接口部分必須是始終打開的，否則，CPU核無法隨時(shí)對(duì)它的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程；其二，通過模塊使能位只是關(guān)閉了它的功能操作，而并沒有把它模塊內(nèi)的時(shí)鐘樹關(guān)閉掉，也就是說它里面的時(shí)鐘樹依然處于激活狀態(tài)，而時(shí)鐘樹所造成的功耗占單個(gè)模塊功耗的很大一部分。其實(shí)大多數(shù)模塊都是同步系統(tǒng)，系統(tǒng)的所有操作都是在時(shí)鐘信號(hào)的節(jié)拍下進(jìn)行的[5]，關(guān)閉時(shí)鐘源能同時(shí)達(dá)到關(guān)閉模塊和降低功耗的目的。
動(dòng)態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率則是以不犧牲系統(tǒng)的性能為前提，動(dòng)態(tài)地管理系統(tǒng)的工作頻率來降低SoC的功耗。時(shí)鐘頻率是影響動(dòng)態(tài)功耗的重要因素：[3]。它的工作頻率越高，功耗也就越大。但在很多時(shí)候，所有的模塊并不是工作在同一時(shí)鐘頻率，或者同一個(gè)模塊在不同的時(shí)段可以工作在不同的時(shí)鐘頻率。這些就是動(dòng)態(tài)地配置SoC系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率的前提