低功耗微控制器的動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理技術(shù)

莫東杰

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，消費(fèi)電子和無線設(shè)備的盛行，集成電路的制造和工藝的進(jìn)步，芯片的體積越來越小的同時(shí)其規(guī)模和復(fù)雜程度也越來越大，對于芯片的性能和功耗的要求也越來越苛刻， 特別是近年來被廣泛應(yīng)用的移動(dòng)電子設(shè)備對電池續(xù)航的依賴越來越大，設(shè)計(jì)人員必須重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品的續(xù)航能力。因此，在集成電路芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，低功耗設(shè)計(jì)是最受人們關(guān)注的領(lǐng)域之一。

為了降低微控制器的功耗，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種低功耗時(shí)鐘管理技術(shù)。該技術(shù)根據(jù)微控制器中處理器核的運(yùn)行狀態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)工作模式的切換和時(shí)鐘狀態(tài)的調(diào)節(jié)，在保證一定的工作效率的條件下降低了功耗。該技術(shù)成功應(yīng)用于微控制器仿真驗(yàn)證平臺(tái)，功耗仿真驗(yàn)證結(jié)果表明，該技術(shù)能有效的降低微控制器的功耗，有一定的實(shí)際意義。

1 動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制管理原理

在數(shù)字集成電路中，功耗主要來自以下三個(gè)方面：

式（1）中，表示對CMOS電路中電容充放電所消耗的開關(guān)功耗，和分別代表短路功耗和漏電功耗。

其中，開關(guān)功耗可以近似表示為：

式（2）中是信號(hào)變化翻轉(zhuǎn)率的活動(dòng)因子，CL表示節(jié)點(diǎn)電容，為工作電壓，是時(shí)鐘頻率。

由式（2）可以明顯看出，降低工作電壓就能有效的減少開關(guān)功耗，但由于工作電壓跟電路的性能關(guān)，降低工作電壓會(huì)損害到性能，同時(shí)芯片中的降壓電路實(shí)現(xiàn)困難，所以降壓并不是減小動(dòng)態(tài)功耗的首選；而活動(dòng)因子一般與系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行程序有關(guān)，操作困難；節(jié)點(diǎn)電容則是由制造實(shí)現(xiàn)的工藝所決定，所以本文主要考慮通過時(shí)鐘優(yōu)化來降低功耗，著重在對系統(tǒng)時(shí)鐘的開關(guān)、工作狀態(tài)以及頻率的管理上。本文中的低功耗動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理技術(shù)主要包括門控時(shí)鐘和多模式切換，通過這兩項(xiàng)技術(shù)，能有效的對系統(tǒng)的時(shí)鐘進(jìn)行管理，降低系統(tǒng)的功耗。

1.1 門控時(shí)鐘

門控時(shí)鐘是寄存器傳輸級的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，就是當(dāng)系統(tǒng)某一部分處于空閑狀態(tài)時(shí)關(guān)閉其時(shí)鐘從而消除時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的功耗。門控時(shí)鐘作用范圍越大，功耗優(yōu)化的效果就越明顯。門控時(shí)鐘有兩種實(shí)現(xiàn)形式：基于鎖存器的門控時(shí)鐘和基于兩輸入與門的門控時(shí)鐘，前者較穩(wěn)定不易出現(xiàn)毛刺，但會(huì)在設(shè)計(jì)中引入鎖存器，而后者容易導(dǎo)致時(shí)鐘的毛刺，但面積小。在一般的情況下，門控時(shí)鐘的選擇和運(yùn)用可以通過電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件工具實(shí)現(xiàn)，也可以手工在在寄存器轉(zhuǎn)換級電路（RTL）代碼內(nèi)插入；通常會(huì)一些模塊級或系統(tǒng)級的門控時(shí)鐘是通過手工插入基于鎖存器的門控時(shí)鐘的，而其他寄存器的門控時(shí)鐘則是通過EDA軟件自動(dòng)插入的。

1.2 多模式切換

在微控制器執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不可能一直處在工作狀態(tài)，系統(tǒng)總會(huì)有空閑的時(shí)候，這時(shí)候就要對時(shí)鐘進(jìn)行有效的管理，避免不必要的功耗。通過對時(shí)鐘的管理來把系統(tǒng)分為5種工作模式：NORMAL、IDLE、WAIT、STOP和SLEEP。在NORMAL模式下，主系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK）、子系統(tǒng)時(shí)鐘（SMCLK）均由片外高頻時(shí)鐘發(fā)生器（DCO）提供，輔助系統(tǒng)時(shí)鐘（ACLK）由外接高頻晶振（HFXT）或低頻晶振（LFXT）提供；在IDLE模式時(shí)，MCLK停止工作，SMCLK由DCO提供，ACLK由外接LFXT提供；在WAIT模式時(shí)，MCLK停止工作，SMCLK和ACLK均由LFXT提供；STOP模式下，MCLK和SMCLK停止工作，僅有ACLK由LFXT提供；SLEPP模式下所有時(shí)鐘停止工作。

2 動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制模塊設(shè)計(jì)

DCMM主要由DCO，高低頻晶振接口，時(shí)鐘源選擇器、時(shí)鐘分頻器和模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)以及時(shí)鐘輸出門控電路組成。首先DCMM的寄存器組通過配置模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)決定輸出時(shí)鐘的工作狀態(tài)，模式轉(zhuǎn)換狀態(tài)機(jī)的輸出就會(huì)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘源選擇器適當(dāng)?shù)倪x擇各時(shí)鐘來源，然后選出的時(shí)鐘經(jīng)過獨(dú)立的時(shí)鐘分頻器進(jìn)行分頻處理（可配置1:1,1:2,1:4,1:8,1:16分頻）；最后，時(shí)鐘輸出門控電路是各個(gè)子模塊的時(shí)鐘的總開關(guān)，當(dāng)微控制器內(nèi)的某一個(gè)子模塊不需要工作時(shí)可以暫時(shí)切斷時(shí)鐘，減少不必要的功耗。系統(tǒng)復(fù)位的同時(shí)，DCMM寄存器就會(huì)開始初始化默認(rèn)配置，配置完成后就可以讓DCMM自主開始工作。同時(shí)，工作過程中也可以通過寄存器接口對相關(guān)寄存器的配置進(jìn)行改動(dòng)來實(shí)現(xiàn)各種工作模式和時(shí)鐘頻率。

3 動(dòng)態(tài)時(shí)鐘控制模塊實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證結(jié)果

3.1 驗(yàn)證平臺(tái)和驗(yàn)證流程

圖1 基于openMSP430的微控制器仿真驗(yàn)證平臺(tái)

本設(shè)計(jì)采用基于openMSP430嵌入式微處理器的微控制器平臺(tái)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖1。它是由待測設(shè)計(jì)（DUT），也就是本設(shè)計(jì)中的DCMM，和其他輔助模塊所組成的。由于DCMM是微控制器中的一個(gè)外設(shè)模塊，它主要由嵌入式處理器驅(qū)動(dòng)的，所以對DCMM的測試激勵(lì)主要由嵌入式處理器控制。當(dāng)完成測試激勵(lì)的編寫后，要先通過MSPGCC編譯器進(jìn)行編譯并寫入程序存儲(chǔ)器，然后啟動(dòng)VCS仿真軟件使測試平臺(tái)對微控制器進(jìn)行初始化并開始執(zhí)行程序，這時(shí)測試激勵(lì)向量就會(huì)由處理器加載到DCMM中開始仿真驗(yàn)證，當(dāng)程序執(zhí)行完后，就會(huì)輸出仿真波形和工作報(bào)告等測試結(jié)果文件。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果

驗(yàn)證結(jié)果表明，微控制器在NORMAL、IDLE、WAIT、STOP和SLEEP五種不同的工作模式進(jìn)行切換，其對應(yīng)功耗和輸出時(shí)鐘如圖2。在NORMAL模式下，微控制器正常工作，時(shí)鐘頻率達(dá)到最大，實(shí)時(shí)的功耗也最大；關(guān)閉MCLK，則微控制器進(jìn)入IDLE模式，動(dòng)態(tài)功耗大幅降低，此時(shí)SMCLK仍由DCO提供；當(dāng)把SMCLK切換到LFXT時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入WAIT模式，此時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘主要由LXFT供給，功耗有進(jìn)一步的降低；關(guān)閉MCLK和SMCLK，僅留下ACLK為部分模塊提供時(shí)鐘來保證其運(yùn)行，處理器進(jìn)入STOP模式，功耗又有小幅降低；當(dāng)所有時(shí)鐘停止工作，系統(tǒng)進(jìn)入SLEEP模式，這時(shí)功耗最低，幾乎為零。

圖2 仿真工作模式波形結(jié)果

在對微控制器驗(yàn)證平臺(tái)仿真不同的任務(wù)程序時(shí)，我們利用功耗分析估計(jì)的方法統(tǒng)計(jì)比較了原始設(shè)計(jì)和加入動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理技術(shù)時(shí)的面積和功耗情況如表1，結(jié)果表明，加入動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理技術(shù)的設(shè)計(jì)在面積增大3.2%的情況下，對功耗的優(yōu)化最多能達(dá)到15.6%，效果較為顯著。由此可見，該技術(shù)能有效的降低微控制器的功耗。

表1 仿真結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于微控制器的低功耗時(shí)鐘管理技術(shù)。該技術(shù)包括門控時(shí)鐘和多種工作模式切換。該技術(shù)主要在硬件上實(shí)現(xiàn)了對微控制器時(shí)鐘進(jìn)行管理，讓系統(tǒng)處于適當(dāng)?shù)墓哪Ｊ较拢M可能的減少動(dòng)態(tài)功耗。基于openMSP430嵌入式處理器的微控制器仿真驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引入動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理單元的嵌入式微控制器能在一定程度上降低功耗，具有一定的應(yīng)用意義。

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